Cómo funcionan las farolas: fotocélula, conmutación, controlador y lámpara explicados

Una ventana con fotocélula repleta de polvo, polen y cáscaras de insectos mantendrá felizmente iluminada la carretera al mediodía. Llega el equipo de mantenimiento, no encuentra nada malo en la lámpara y reemplaza un sensor que vale unos pocos dólares. Ese único escenario explica más sobre cómo funcionan las luces de la calle que la mayoría de los diagramas: la luz en sí es sólo el último eslabón de una cadena de decisiones, y cualquier eslabón débil aguas arriba convierte una luminaria en perfecto estado en un tramo de carretera oscuro o en una factura de electricidad desperdiciada.

Aquí está la respuesta corta antes del detalle. Una farola moderna funciona en cuatro etapas: un sensor o reloj decide que ha llegado la oscuridad, un dispositivo de conmutación cierra el circuito, un controlador o balastro convierte el suministro de CA entrante en la forma que necesita la fuente de luz y la lámpara convierte esa electricidad en luz. Todo lo demás en el poste, desde los cimientos hasta el brazo y el protector contra sobretensiones, existe para mantener esas cuatro etapas funcionando de manera segura durante quince a veinte años.

El resto de este artículo recorre esa cadena en el orden en que viaja la corriente, luego analiza qué cambia cuando la luz funciona con energía solar, qué controles inteligentes agregan, qué especificaciones realmente predicen la confiabilidad y qué le dicen las fallas comunes sobre la instalación.

La cadena de trabajo: detectar, cambiar, convertir y emitir

La mayoría de la gente imagina una farola como una lámpara colgada de un palo. En la práctica, es un sistema eléctrico pequeño con cuatro bloques funcionales, y solucionar problemas o especificar uno es mucho más fácil cuando piensas en esos bloques.

• Sentido. Una fotocélula, un reloj astronómico dentro del controlador, un sensor de movimiento o un comando de un sistema de gestión central determina si la luz debe estar encendida, apagada o atenuada.
• Cambiar. Un contactor, un relé, un interruptor de estado sólido o la entrada de habilitación del propio controlador conectan o desconectan la alimentación. En instalaciones más antiguas, se trata de un contactor mecánico en un pilar alimentador que sirve a todo un circuito; en los más nuevos es un relé dentro de cada luminaria.
• Convertir. Un balastro magnético para sodio a alta presión o un controlador electrónico para LED condicionan el suministro. Este bloque decide la eficiencia, el factor de potencia, la atenuabilidad y la elegancia con la que se comporta la luz cuando cae el voltaje.
• Emitir. La lámpara o el módulo LED convierte la corriente en luz visible y la óptica, el reflector o la lente la distribuyen por la carretera en un patrón que cumple con la clase de iluminación.

Alrededor de estos cuatro bloques se ubican las partes mecánicas y de protección: el poste, los pernos de cimentación y anclaje, el brazo o soporte, el fusible o disyuntor miniatura, el dispositivo de protección contra sobretensiones, el bloque de terminales y el conductor de tierra. Un fallo en cualquiera de ellos interrumpe la cadena, por lo que una luz puede quedar “rota” por motivos que no tienen que ver con la lámpara.

Dentro del polo: las partes que hacen el trabajo silencioso

El poste parece el elemento menos técnico del sistema y, de hecho, es la parte que con mayor frecuencia decide si un proyecto pasa la inspección. Un poste de carretera de seis metros que lleva una luminaria LED de 60 W en un brazo de 1,5 m está expuesto a cargas de viento, vibraciones del tráfico, movimientos del suelo y, en zonas costeras, a la sal. El acero galvanizado según ISO 1461 con un recubrimiento mínimo de zinc de entre 70 y 86 micrómetros, una placa base soldada en ambas caras y un juego de anclajes debidamente apretados no son detalles decorativos; son los que mantienen la luminaria apuntando a la carretera durante dos décadas.

Las dimensiones de la interfaz son tan importantes a la hora de adquirirlo como la calidad del acero. La mayoría de las luminarias se montan en una espiga de 60 mm o 76 mm, y un proveedor que sostiene ±1 mm en ese diámetro le ahorra al instalador una hora de pulido por poste. El espesor de la pared, la forma cónica, la posición de la ranura de entrada de cables y la puerta del orificio de acceso interactúan con el método de cableado y deben acordarse en el dibujo antes de la producción en lugar de descubrirse en el sitio.

Postes de alumbrado público de acero personalizados para iluminación exterior Revise los postes de acero redondos, hexagonales, octogonales y cuadrados personalizables (de 3 a 40 m, galvanizados en caliente) al acordar las dimensiones de la interfaz y los detalles del cableado de los orificios de registro antes de la producción. Ver producto →

Dentro del orificio de registro normalmente encontrará un bloque de terminales con fusible, un perno de tierra y, en instalaciones suspendidas o de brazo largo, un prensaestopas clasificado para el mismo nivel IP que el gabinete. En circuitos con distribución aérea o alta exposición a rayos, un dispositivo de protección contra sobretensiones en el poste o cerca de él es lo que se interpone entre una temporada normal de rayos y un lote de controladores fallidos.

Cómo la lámpara misma produce luz

Tres fuentes de luz siguen dominando el alumbrado público y cada una convierte la electricidad de forma diferente.

Sodio a alta presión. Un arco pasa a través de una amalgama de sodio y mercurio a alta presión, produciendo una cálida luz blanca dorada con un índice de reproducción cromática de alrededor de 20 a 25. Un balastro magnético, a menudo con un encendedor, proporciona el pulso de arranque y luego limita la corriente. HPS tarda de tres a cinco minutos en alcanzar su máxima potencia en frío y, después de una breve interrupción del suministro eléctrico, puede necesitar de uno a dos minutos para volver a encenderse. Ese comportamiento de reencendido es la razón por la que las instalaciones más antiguas a veces se apagan durante varios minutos después de una falla en la subestación.

CONDUJO. Un controlador electrónico convierte la red eléctrica de CA en una corriente constante regulada, generalmente entre 350 mA y 1050 mA, según el módulo, y los diodos emiten luz directamente. No hay calentamiento ni retraso en el reinicio. Debido a que la salida aumenta con la corriente, la misma luminaria se puede atenuar al 30 por ciento a la 1 a. m. reduciendo la corriente de accionamiento, de donde proviene ahora una gran parte del ahorro de energía.

Lámparas de halogenuros metálicos y otras lámparas de descarga Se comporta de manera similar al HPS pero con una mejor reproducción del color y un calentamiento más corto, aunque aún notable. Son cada vez más raros en los nuevos proyectos de carreteras.

Farola LED serie DDK-LD121 para iluminación exterior urbana Compruebe esta farola LED de 40 a 200 W con 150 lm/W, carcasa IP66/IK09, montaje ajustable de ±15° y atenuación para modernizaciones de HPS o halogenuros metálicos. Ver producto →

Una consecuencia práctica de esa tabla: cuando una instalación de sodio se actualiza con LED, la carga del circuito normalmente cae a la mitad o más. Esa capacidad sobrante se utiliza a menudo para agregar puntos de iluminación, razón por la cual una modernización puede mejorar la cobertura en una carretera sin ningún cambio en la red de cable.

Cómo una farola sabe que está oscuro

La decisión de encender es la parte que despierta la curiosidad de la mayoría de la gente y es realmente sencilla a nivel de componente.

Fotocélulas y su histéresis.

Una fotocélula clásica utiliza un fotorresistor de sulfuro de cadmio, un material cuya resistencia cae desde varios megaohmios en la oscuridad hasta unos cientos de ohmios durante el día. Conectado a un divisor de voltaje, acciona un comparador o etapa de transistor que opera un relé. Debido a que un umbral mínimo haría que la luz vibre en las tardes nubladas, el circuito incluye histéresis: la lámpara se enciende en un umbral bajo, generalmente alrededor de 30 a 70 lux, y se apaga nuevamente solo cuando la luz ambiental sube muy por encima de ese umbral, a menudo de 100 a 150 lux. Un retardo de tiempo de 30 a 120 segundos filtra las luces de los faros, los relámpagos y las sombras que pasan.

El cadmio está restringido según la directiva RoHS, por lo que muchos sensores más nuevos utilizan fotodiodos o fototransistores de silicio con un comportamiento similar y mejor estabilidad a largo plazo. La diferencia práctica para un comprador es pequeña, pero los modos de falla difieren: los sensores fotorresistores se desplazan a medida que el material envejece, mientras que los sensores de silicio son más sensibles a la suciedad en la ventana.

Relojes y cronómetros astronómicos

Un reloj astronómico almacena la latitud y la longitud y calcula la puesta y la salida del sol para todos los días del año, luego aplica un desplazamiento configurable de, digamos, quince minutos antes de la puesta del sol y veinte minutos después del amanecer. Los controladores de este tipo generalmente agregan una función de apagado de medianoche o de noche parcial y manejan los cambios de horario de verano automáticamente. Son inmunes al problema del polvo que afecta a las fotocélulas, pero no pueden responder a una tormenta inusualmente oscura, por lo que muchos esquemas utilizan una fotocélula como respaldo o anulación de supervisión.

Sensores de movimiento y atenuación adaptativa

Los sensores de radar pasivos infrarrojos y de microondas detectan movimiento y aumentan la salida desde un nivel de espera, comúnmente del 20 al 30 por ciento, hasta la potencia máxima durante un tiempo de espera establecido. En carreteras con poco tráfico y carriles bici, esto puede reducir sustancialmente el consumo de energía. La precaución de ingeniería es que los ahorros sólo se mantienen si el nivel de espera aún cumple con la clase de iluminación mínima, y ​​que los sensores deben apuntar de manera que las ramas de los árboles y las corrientes de aire caliente no activen un funcionamiento constante a máxima potencia.

Cualquiera que sea el método utilizado, el sensor es un componente pequeño con un efecto enorme en el costo operativo. Un sensor que se enciende veinte minutos antes en doscientos polos suma una cifra anual mensurable, y un sensor que nunca se apaga normalmente lo descubre un residente y no el operador. Para una mirada más amplia al lado de la seguridad de esa ecuación, esta discusión sobre Cómo los postes de alumbrado público mejoran la seguridad de la ciudad por la noche Cubre la relación entre la conmutación constante y la seguridad percibida.

El camino eléctrico desde el alimentador hasta la luminaria

Entre la subestación y la lámpara hay una red de cables con pérdidas reales, y esas pérdidas explican varias elecciones de diseño que de otro modo parecen arbitrarias.

Los circuitos de alumbrado público suelen funcionar a 230/400 V trifásicos, con postes distribuidos en fases para equilibrar la carga. La caída de tensión en ramas largas es la limitación que determina el tamaño del cable. Tomemos como ejemplo una rama monofásica de 230 V que alimenta 5 A a lo largo de 300 m en cobre de 6 mm²: la resistencia de un conductor es de aproximadamente 0,88 ohmios, el bucle es de aproximadamente 1,75 ohmios y la caída es de casi 9 V, o cerca del 4 por ciento. Esto ya supera el 3 por ciento permitido normalmente en un circuito derivado, por lo que los tramos más largos utilizan 16 mm², o por qué el diseño cambia a un alimentador trifásico con colas monofásicas más cortas.

Dentro de la luminaria, el controlador o balastro realiza tres trabajos a la vez: regula la corriente que llega a la fuente de luz, mantiene el factor de potencia por encima de 0,9 para que el suministro no se cargue con corriente reactiva y limita la distorsión armónica, normalmente por debajo del 20 por ciento total. Un buen controlador LED también incluye protección contra sobretensiones nominal de 10 kV / 5 kA o más en la entrada de la red eléctrica, y un repliegue térmico que reduce la salida en lugar de dejar que el módulo se cocine cuando se bloquea un disipador de calor.

Earthing merece su propia sentencia. Las luminarias Clase I dependen de una tierra protectora sólida en cada polo; un perno de tierra corroído o un conductor de conexión interrumpido convierte una falla menor de aislamiento en un riesgo de descarga eléctrica, y es uno de los elementos que con mayor frecuencia se pasan por alto en las inspecciones periódicas.

Farolas solares: el mismo trabajo, diferente física

Una farola solar realiza las mismas cuatro etapas, pero el bloque "convertido" se divide en dos y el bloque "interruptor" gana un presupuesto de energía. El panel genera CC durante el día, un controlador de carga lo regula en la batería y, por la noche, el controlador extrae energía de la batería y hace pasar el LED a través de una etapa de corriente constante. El controlador también es dueño de la decisión al anochecer, utilizando el voltaje del panel como sensor de luz, razón por la cual las luces solares a veces se encienden durante una fuerte tormenta.

El tamaño es aritmético y es ahí donde la mayoría de los proyectos solares decepcionantes salen mal. Considere un LED de 60 W que funciona 11 horas por noche a máxima potencia. Eso es 660 Wh de energía diaria. Con una batería de fosfato de hierro y litio limitada al 80 por ciento de profundidad de descarga y tres días de autonomía, la capacidad requerida es de 660 × 3 ÷ 0,8, aproximadamente 2.475 Wh, que a 25,6 V son unos 97 Ah. El panel tiene que reemplazar 660 Wh en un promedio de cuatro horas de sol pico con pérdidas del sistema de alrededor del 25 por ciento, por lo que necesita aproximadamente 220 W. Un proveedor que cotiza un panel de 100 W para esa carga está cotizando un sistema que fallará en su primera semana nublada.

Lámpara exterior de farola solar todo en uno DDK-S0219 Una farola solar integrada con panel de 100 W, batería LiFePO4, LED de 150 W, carcasa de aluminio IP65 y montaje de 8 a 10 m para dimensionar el proyecto. Ver producto →

La disposición física también importa. Las unidades todo en uno integran panel, batería y luz en una sola carcasa, lo que simplifica la instalación pero concentra el calor alrededor de la batería. Los diseños separados colocan el panel encima del poste o en un soporte y la batería en el compartimiento de la base, lo cual es más amigable en climas cálidos y más fácil de mantener. De cualquier manera, la química de la batería decide la vida útil mucho más que el LED: el plomo-ácido en un recinto caliente puede durar dos años, el fosfato de hierro y litio de cinco a ocho.

Alumbrado público inteligente y gestión central

El cambio que más ha alterado el funcionamiento del alumbrado público no es la fuente de luz sino el controlador. Una luminaria moderna suele llevar un conector NEMA de 7 pines según ANSI C136.41 o una interfaz Zhaga Book 18, al que se conecta un nodo. Ese nodo puede contener una fotocélula, un reloj de tiempo real, un medidor de potencia, un sensor de inclinación o vibración y una radio.

Las comunicaciones se ejecutan a través de una malla inalámbrica en la que cada nodo transmite a sus vecinos, o a través de NB-IoT celular y LoRaWAN, donde una malla no es práctica. En el lado de la iluminación, la regulación se realiza según DALI o una señal de 0-10 V. El resultado es un sistema que puede informar sus propias fallas, atenuar según lo programado, aumentar la producción al detectarla, medir la energía por poste y proporcionar información a la ciudad.

Vale la pena señalar dos puntos prácticos. En primer lugar, la interoperabilidad es una cuestión de adquisiciones: un protocolo propietario bloquea al operador en un solo proveedor para cada nodo futuro. En segundo lugar, la ciberseguridad no es opcional una vez que varios miles de dispositivos están conectados a una red. Las contraseñas predeterminadas, los enlaces de malla no cifrados y el firmware sin parches son los puntos débiles habituales, y deberían abordarse en las especificaciones y no después de la puesta en servicio.

Los números que deciden si funciona

El diseño de iluminación se resuelve mediante software fotométrico, pero los parámetros importantes se pueden establecer claramente y conocerlos hace que sea mucho más fácil escribir una especificación.

Dos de ellos merecen énfasis porque con frecuencia no se especifican lo suficiente. La uniformidad es lo que realmente experimentan los conductores: una separación entre postes que produce una luminancia promedio alta con una uniformidad de 0,2 crea grupos alternos de luz y sombra que se sienten menos seguros que un atenuador pero con una instalación uniforme. El operador paga por el mantenimiento de Lumen: una clasificación L70 a 50.000 horas significa que la instalación entregará el 70 por ciento de su producción original en aproximadamente el año doce a diez horas por noche, que es el momento de planificar un reemplazo de módulo en lugar de una llamada de emergencia.

Los fracasos y lo que apuntan

El diagnóstico de campo se vuelve mucho más rápido cuando se trabaja desde el síntoma hasta el bloqueo en lugar de reemplazar piezas al azar.

Vale la pena recordar un patrón: cuando varias luminarias de la misma rama fallan con unas pocas semanas de diferencia entre sí, la causa suele ser anterior o ambiental, más que las lámparas mismas. Un evento de sobretensión, un neutro flojo o una barra de tierra corroída acabarán con los conductores en grupos, y reemplazarlos sin solucionar la causa simplemente repetirá el costo.

Qué poner en la especificación

La mayor parte del riesgo en la adquisición de iluminación exterior se encuentra en el espacio entre una descripción del catálogo y un dibujo. Cerrar esa brecha es en gran medida una cuestión de documentación.

1. Exija un plano firmado para cada tipo de poste, que muestre la forma cónica, el espesor de la pared, las dimensiones de la placa base, el patrón de los pernos de anclaje, la posición del orificio de acceso, la entrada del cable y el diámetro de la espiga con tolerancias.
2. Solicite archivos fotométricos en lugar de reclamos, y datos de LM-79 y LM-80 o TM-21 para el módulo LED y el controlador.
3. Especifique explícitamente el sistema de corrosión: espesor de galvanizado en micrómetros según ISO 1461, más espesor de recubrimiento en polvo si se requiere un color, y horas de niebla salina para sitios costeros.
4. Indique las clasificaciones IP e IK para cada compartimento por separado y solicite un informe de prueba IP en lugar de una marca.
5. Acuerde la interfaz de control, ya sea fotocélula, reloj astronómico, 0-10 V, DALI o toma NEMA, y confirme qué sucede cuando se retira el controlador.
6. Defina el embalaje, el plan de carga del contenedor y la documentación, porque un proyecto que llega con accesorios que no coinciden retrasa la instalación más de lo que cuesta una pequeña diferencia de precio.

También ayuda conocer el nivel de ingeniería de su proveedor, no solo su lista de precios. Un fabricante que puede leer el dibujo de un cliente, producir una muestra y señalar un problema de carga de viento antes de la producción vale más en un plan municipal que uno que simplemente cita una cifra de lúmenes. Información sobre Los controles de fabricación y calidad detrás de los productos de iluminación exterior. Es una manera razonable de juzgar eso antes de otorgar una orden.

Mantenimiento: mantener la cadena intacta

Una farola que nunca recibe mantenimiento no falla repentinamente; se degrada silenciosamente hasta que la carretera ya no cumple con su clase. Tres rutinas cubren la mayor parte del riesgo.

Limpieza. Un lavado anual de lentes y ventanas de fotocélulas restaura una sorprendente proporción de la producción perdida, y es la intervención más barata disponible. En sitios costeros o polvorientos, dos veces al año es realista.

Inspección térmica. Los controladores y los módulos LED fallan más rápido cuando sus disipadores de calor están bloqueados o su compartimento está lleno de condensación. Un estudio nocturno con cámara térmica identifica tanto los conductores defectuosos, que se calientan más que los sanos, como la entrada de agua antes de que se produzca un cortocircuito.

Comprobaciones eléctricas. La resistencia del aislamiento, la continuidad de la tierra y el torque en los tornillos de los terminales y los pernos de anclaje pertenecen a un ciclo de varios años. Se deben inspeccionar los dispositivos de protección contra sobretensiones para detectar indicaciones de fin de vida útil, y se debe probar la capacidad de las baterías solares a partir del cuarto año en adelante, de modo que el reemplazo sea planificado en lugar de reactivo.

Registrar los resultados es tan importante como hacer el trabajo. Un modelo de luminancia mantenida sólo es válido si el operador sabe qué midió la instalación en la puesta en servicio y qué mide ahora; Sin esa línea de base, cada decisión sobre cambiar o reemplazar las lámparas es una conjetura.

Entonces, ¿cómo funcionan las luces de la calle? Detectan el nivel de luz o consultan un reloj, cierran un dispositivo de conmutación, convierten el suministro en una corriente controlada y emiten luz a través de un sistema óptico diseñado para una clase de carretera específica. Las piezas son ordinarias; la ingeniería consiste en hacer que coincidan entre sí durante veinte años, a pesar de cambios de temperatura, cargas de viento, temporadas de rayos y un presupuesto de mantenimiento que siempre es menor de lo que esperaba el diseñador.

Cuando una luz se comporta mal, trabaje a lo largo de la cadena en lugar de alrededor de ella: primero el sensor, luego el interruptor, luego el suministro, luego el controlador y luego la lámpara. Cuando se especifica un proyecto, trabaje a lo largo de la misma cadena a la inversa, comenzando por la clase de iluminación que necesita la carretera y terminando con el poste que la sostendrá. Ese hábito, más que cualquier elección de un solo componente, es lo que separa una instalación que hace su trabajo silenciosamente de otra que mantiene ocupado al equipo de mantenimiento.