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Tecno. Lógicas., ISSN 0123-7799, Edición Especial, octubre de 2013, pp. 303-313
Compensador de Iluminación
Utilizando un Diodo LED como Sensor
y Actuador de Luz
Lighting Compensator Using a Diode
LED as Light Sensor and Actuator
Roger A. Martínez-Ciro
1
Alejandro Restrepo-Martínez
2
Francisco E. Lopez-Giraldo
3
1
Facultad de Ingeniería, Instituto Tecnológico
Metropolitano, Medellín-Colombia
alexanders-rogers@hotmail.com
2
Grupo de Investigación en Automática, Electrónica y
Ciencias Computacionales, Instituto Tecnológico
Metropolitano, Medellín-Colombia
alejandromartinez@itm.edu.co
3
Grupo de Investigación en Automática, Electrónica y
Ciencias Computacionales, Instituto Tecnológico
Metropolitano, Medellín-Colombia
franciscolopez@itm.edu.co
[304] Martínez
et al.
/ Compensador de Iluminación Utilizando un Diodo LED como Sensor y
Actuador de Luz
Tecno Lógicas
Resumen
En este trabajo se presenta un sistema electrónico capaz de controlar
la polarización directa e inversa aplicada en las terminales de un Diodo
Emisor de Luz (LED) lo cual permite configurarlo como actuador y sensor
de luz conmutadamente, con la finalidad de diseñar un sistema que per-
mita compensar niveles de potencia lumínica a un valor fijado por el
usuario. Se describe el diseño electrónico conformado por un bloque aná-
logo y un procesador de bajo desempeño Arduino UNO, que permitió
validar: el funcionamiento del LED en su dualidad de operación y el
algoritmo implementado. Para el montaje desarrollado fue posible definir
una ecuación experimental que permite determinar el nivel de potencia
lumínica que debe ser aportado por el LED compensador, adicionalmente
se calculó el porcentaje PWM que debe ser aplicado en sus terminales. A
través del montaje implementado fue posible hacer la medición de la
fotocorriente entregada por el LED configurado como sensor de luz y
posteriormente convertirla a voltaje por medio del acondicionamiento
análogo. Finalmente se logró un algoritmo que permite realizar la com-
pensación de potencia lumínica.
Palabras clave
LED sensor; LED actuador; polarización directa; polarización inversa;
fotocorriente.
Abstract
This work presents an electronic system capable of controlling the
direct and inverse polarization applied to the terminals of a LED diode;
this allows configuring it as an actuator and light sensor interchangeably.
The final goal is to design a system that compensates levels, set by the
user, of luminesce potency. The design is described by an Analog block
and a low-tech processor Arduino UNO. The Arduino UNO allowed for the
functioning of the LED to operate dually by the implemented algorithm.
An equation for the developed set was defined experimentally which
determines the luminesce potency that the compensating LED should
provide; the duty cycle for the PWM applied to the LED terminals was
calculated too. Through the developed set it was possible to measure the
photocurrent given by the LED configured as light sensor and then turn it
into a voltage through the analog block. FInally an algorithm was
obtained to compensate luminesce potency.
Keywords
LED sensor; LED actuator; polarization direct; inverse
polarization; photocurrent.
Tecno. Lógicas., Edición Especial, octubre de 2013 [305]
1. INTRODUCCIÓN
Debido al gran desarrollo tecnológico en torno a los Diodos
Emisores de Luz (Light Emitting Diode - LED), estos se han con-
vertido en dispositivos electrónicos muy utilizados en cuanto a
indicadores luminosos y en sistemas de iluminación, debido a que
son de poco consumo de corriente eléctrica, compactos, eficientes y
económicos. En efecto, ha despertado el interés en algunos investi-
gadores, de estudiar el comportamiento espectral de los LEDs
utilizando diferentes técnicas para la caracterización de la emisión
de luz (Morocho et al., 2012). Una de las aplicaciones más comunes
de los LEDs se encuentra en el desarrollo de sistemas de ilumina-
ción, los cuales están remplazado las bombillas tradicionales de
alto consumo energético, más específicamente las lámparas alóge-
nas; esto ha permitido disminuir un 63% el consumo energético
(Alonso et al., 2012). Por otra parte, y en busca de dar un uso más
eficiente a la energía eléctrica, se han propuesto sistemas de ilu-
minación regulados utilizando LEDs, y diferentes técnicas para el
control de potencia lumínica (Matta & Mahmud, 2010; Milashevs-
ki et al., 2012). Los trabajos descritos, indican que los LEDs han
sido utilizados convencionalmente como fuentes lumínicas, ya que
fueron diseñados especialmente para suplir esta tarea; sin embar-
go, hace más de 30 años se han venido empleando como sensores
de luz espectralmente selectivos, con la finalidad de solucionar
problemas en el campo de la fotometría solar (Mims, 2009; Brooks
et al 2007).
En ninguna de las referencias mencionadas anteriormente se
ha configurado el LED como Sensor y Actuador de luz Conmuta-
damente (LED-SAC), ya que es muy común su utilización como
actuador de luz en sistemas de iluminación, ó, como sensor espec-
tralmente selectivo.
En el presente trabajo se realiza este tipo de configuración pa-
ra construir un sistema de iluminación compensado, dicho sistema
implica diseñar e implementar un hardware electrónico que per-
mita caracterizar y validar el funcionamiento del diodo LED en su
dualidad de operación. La importancia de utilizar un LED-SAC,
radica en la posibilidad de diseñar lámparas autoreguladas para el
ahorro de energía eléctrica, donde los mismos LEDs podrán ser
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et al.
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Actuador de Luz
Tecno Lógicas
utilizados como sensores de luz con el fin de determinar la intensi-
dad lumínica del medio.
2. MONTAJE EXPERIMENTAL
El montaje experimental consiste en dos LEDs Azules con lon-
gitud de onda pico de 440.370nm y un ancho de banda de 12.59nm,
dicha longitud de onda fue medida con el espectrómetro LR1-600-3
de Aseq Instruments®. El LED Compensador (LED-C) es configu-
rado en su dualidad de funcionamiento LED-SAC por medio del
bloque electrónico; paralelamente, dicho bloque electrónico confi-
gura el LED Actuador como fuente de luz, aplicando en sus termi-
nales una señal PWM (Pulse Width Modulation) para regular la
potencia lumínica de emisión. Posteriormente se incorporó un
medidor de potencia lumínica PM100DThorlabs® en el centro de
la caja, con el cual fue posible monitorear la emisión de luz de los
LEDs de manera conjunta e independiente. Dicho montaje se
muestra en la Fig. 1.
Fig. 1. Montaje experimental del Compensador de Iluminación. Fuente: Autores
Tecno. Lógicas., Edición Especial, octubre de 2013 [307]
2.1 Bloque Electrónico
Para llevar a cabo el compensador de iluminación se requiere
de un conjunto de subsistemas electrónicos. A continuación se
describe cada uno: el primero está conformado por un aislador
electrónico, el cual tiene como función, controlar la polaridad di-
recta e inversa del LED-C y convertirlo en actuador o sensor de luz
respectivamente, como se ilustra en la Fig. 2.
Fig. 2. Polarización directa e inversa del diodo LED. Fuente: Autores
Luego de realizar dicho procedimiento y configurar el LED co-
mo sensor, se utiliza el amplificador transimpedance para conver-
tir la fotocorriente proveniente del sensor en voltaje y al mismo
tiempo realizar el acople de impedancias; el tercer subsistema es
el amplificador de señal, el cual tiene como objetivo aumentar los
niveles de voltaje obtenidos anteriormente, y los configura en el
rango de trabajo del conversor A/D (4.8mv y 5v); el conversor A/D
recibe la señal análoga acondicionada y la digitaliza a una resolu-
ción de 10 bits (1023 valores por muestra); dichos datos son alma-
cenados en la memoria del microcontrolador del ARDUINO UNO,
y transmitidos por puerto serial al computador; finalmente se
construyen las ecuaciones que facilitan el cálculo del porcentaje
PWM que debe ser aplicado al LED-C. El procedimiento descrito
se muestra en la Fig. 3.
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Actuador de Luz
Tecno Lógicas
Fig. 3. Sistema de Acondicionamiento Electrónico. Fuente: Autores
3. ALGORITMO DEL COMPENSADOR DE LUZ
El compensador de luz se llevó a cabo desde diferentes etapas:
Primero se realiza la calibración del LED-C configurado como
sensor de luz y se registra en un vector de datos el voltaje máximo
y mínimo producido por este, dicho voltaje está en función de la
potencia lumínica emitida por el LED actuador; luego se procede a
caracterizar ambos LEDs (actuador y compensador), para ello se
configuran como emisores de luz y se registra la potencia lumínica
de cada uno; la última etapa consiste en relacionar los datos alma-
cenados anteriormente, con la finalidad de construir una ecuación
experimental que permitirá calcular el porcentaje PWM que debe
ser aplicado al LED-C para realizar el ajuste lumínico.
3.1 Resultado y Discusión
Para desarrollar el compensador de luz, se parte del hecho de
que el sistema cuenta con dos LEDs (LED compensador y LED
actuador) donde el primero es configurado en su dualidad de fun-
cionamiento (sensor - actuador) y el restante es utilizado única-
Tecno. Lógicas., Edición Especial, octubre de 2013 [309]
mente como fuente de luz, los instrumentos de medida y dispositi-
vos electrónicos fueron explicados en el numeral anterior. Antes de
comenzar los experimentos de medición de potencia y detección
con el LED-C configurado como sensor de luz, se realizó la medi-
ción de la respuesta espectral y la longitud de onda en la cual está
trabajando dicho sistema. Para ello se midió el espectro de emisión
de luz del diodo LED utilizando el espectrómetro LR1-600-3 de
Aseq Instruments®, como se puede apreciar en Fig. 4.
Fig. 4. Respuesta espectral del diodo LED azul. Fuente: Autores
Para determinar el ancho de banda (Band Width - BW) de
emisión del LED, se tiene en cuenta lo siguiente: longitud de onda
pico (440.370nm), en este punto se mide la amplitud (A) y se con-
vierte en dB, luego se le resta 3dB que es el equivalente a la mitad
de la señal como se indica en (1); posteriormente se fijan los valo-
res correspondientes a la longitud de onda de cada lateral, con los
cuales se calcula el BW (12.59dB) realizando la diferencia entre la
longitud de onda superior (LOS) (447.240nm) y la longitud de onda
inferior (LOI) (434.650nm) como se indica en (2).
(1)
(2)
Conociendo el comportamiento espectral del LED en términos
de longitud de onda, se procede a la caracterización del sistema.
Dicha caracterización consiste en realizar la medición del voltaje
entregado por el LED-C al configurarlo como sensor de luz, y la
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Actuador de Luz
Tecno Lógicas
medición de potencia lumínica al configurar los dos LEDs como
actuadores de luz.
En la Fig. 5 se muestra la relación que existe entre la potencia
lumínica emitida por el LED actuador (en adelante se denominará
PotAct) con respecto al voltaje inducido en el sensor (en adelante
se denominará VolSens), posteriormente se aplicó la línea de ten-
dencia a dicha gráfica y se extrajo la ecuación que establece la
relación entre estas dos variables, como se muestra en (3). El error
cuadrático (0.9999) indica que la respuesta voltaica del sensor,
aumenta a un ritmo constante con respecto al incremento de la
potencia lumínica del LED actuador.
Fig. 5. Respuesta voltaica del LED compensador configurado como sensor de luz
midiendo la emisión del LED actuador. Fuente: Autores
(3)
En la Fig. 6 se presenta la medición de potencia lumínica emi-
tida por cada LED y la sumatoria de potencia cuando ambos emi-
ten al mismo tiempo y al mismo porcentaje PWM; posteriormente
se aplica la regresión lineal a los datos del LED-C y se extrae la
ecuación que permite calcular el porcentaje PWM (%PWM) con
respecto a la potencia lumínica de emisión del LED compensador
(PotComp), como se muestra en (4).
(4)
y = 1,2586x - 0,2168
R² = 0,9999
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4
Voltaje del Sensor
generado por los
fotones del LED
actuador [V]
Potencia Lumínica del LED Actuador [µW]
Tecno. Lógicas., Edición Especial, octubre de 2013 [311]
Fig. 6. Relación entre la potencia lumínica aportada por cada LED y la sumatoria.
Fuente: Autores
3.2 Validación de Ecuaciones y el Funcionamiento del
Compensador de Luz
El primer paso consiste en definir el nivel de referencia del sis-
tema en términos de potencia lumínica, el cual se denomina
(NvelR). Luego se procede a determinar la potencia lumínica a la
cual se encuentra emitiendo el LED actuador (PotAct); como dicha
potencia no es controlada por el sistema, para ello se procede a
configurar el LED-C como sensor de luz y se realiza la lectura del
voltaje entregado por éste (Volsens), finalmente se calcula la po-
tencia utilizando (3), mostrada anteriormente. El siguiente paso es
determinar la potencia lumínica que debe aportar el LED-C al
configurarlo como actuador de luz para llegar al nivel de referen-
cia establecido por el usuario, esto se realiza utilizando (5). Final-
mente se calcular el porcentaje PWM (%PWM) que debe ser apli-
cado en las terminales del LED-C al configurarlo como actuador de
luz, teniendo en cuenta la potencia lumínica (PotComp) que debe
aportar al sistema, para ello se utiliza (4) mostrada anteriormente.
(5)
Para verificar la ecuación experimental se leen los datos alma-
cenados en el sistema y se realiza el cálculo del porcentaje PWM,
los cuales son comparados con los porcentajes de PWM almacena-
dos en los vectores. Esta comparación se realizó de manera gráfica,
obteniéndose los resultados mostrados en la Fig. 7.
y = 0.0919x + 0.0263
0
5
10
15
050 100 150
Potencia [µW]
PWM aplicado a cada led [%]
Led Actuador
Adición de
Potencia
Led
compensador
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et al.
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Actuador de Luz
Tecno Lógicas
Fig. 7. Comparación entre el porcentaje PWM calculado con la ecuación vs porcen-
taje PWM almacenado en el sistema. Fuente: Autores
Los valores calculados deberían ser iguales a los datos almace-
nados, lo cual indica que la pendiente debería ser igual a 1. Dicha
pendiente no es exactamente igual a 1 ya que existe un error del
0.05 % en los datos calculados experimentalmente con respecto a
los datos almacenados, esto se debe a que la ecuación se utilizó sin
realizar ningún tipo de ajuste o calibración que permitiera dismi-
nuir dicho error. Sin embargo, dicho porcentaje de error no genera
mayores efectos en las emisiones lumínicas del LED compensador.
Con lo cual se dice que el sistema planteado es confiable.
4. CONCLUSIONES
El sistema electrónico implementado permitió utilizar la dua-
lidad del diodo LED para compensar niveles de luz, tal como se
demostró en los cálculos del porcentaje PWM utilizando la ecua-
ción experimental, los cuales fueron comparados con los almace-
nados en los vectores del sistema.
Los valores calculados del porcentaje PWM difieren en un
0.05% con respecto a los datos almacenados en el sistema: esto se
debe a que las ecuaciones experimentales planteadas no poseen un
nivel de ajuste para corregir dicho error. Adicionalmente dichos
datos se encuentran en punto flotante, los cuales deben ser redon-
deados a la unidad más próxima para calcular el porcentaje PWM,
el cual debe ser un número entero y positivo.
Los resultados de porcentaje PWM calculados con las ecuacio-
nes indican que si es posible realizar una compensación de niveles
y = 1,0092x - 0,0762
R² = 0,9995
0
50
100
150
050 100 150
PWM
almacenado [%]
PWM calculado con la ecuación experimental [%]
Tecno. Lógicas., Edición Especial, octubre de 2013 [313]
lumínicos, teniendo caracterizado el sistema en términos de la
potencia lumínica existente en el medio y la fotocorriente que esta
induce en el LED sensor.
5. REFERENCIAS
Alonso, J.M., Gacio, D., Calleja, A.J., Ribas, J., Corominas, E., (2012); A
Study on LED Retrofit Solutions for Low-Voltage Halogen Cycle
Lamps, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,
(48), No. 5.
Morocho, M.A., Hernández, C., (2012); Caracterización Óptica de Diodos
emisores de Luz mediante su espectro de emisión y patrones de radia-
ción, Scientia et Technica, XVII (51). ISSN 0122-1701.
Milashevski, I., Tetervenok, O., Suzdalenko, A., (2012); Comparative
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15th International Power Electronics and Motion Control Conference,
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Matta, S., Mahmud, S.M., (2010); An Intelligent Light Control System for
Power Saving, IECON 2011 - 37th Annual Conference on IEEE In-
dustrial Electronics Society, On page(s): 3316 – 3321.
Mims, F.M., (2009); LED Sun Photometry, Optics and Photonics News,
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Brooks, R. David., Mims, F.M., Roettger, Richard., (2007); Inexpensive
Near-IR Sun Photometer for Measuring Total Column Water Vapor,
Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 24, page(s):
1268–1276.
