Si bien la mayoría de los demás sistemas de iluminación están completando su transición a las fuentes de luz basadas en LED, los fabricantes de faros que iluminan los campos de fútbol, las canchas de tenis y otros grandes campos deportivos al aire libre han mantenido hasta hace poco una fuerte preferencia por las lámparas convencionales de descarga de alta presión (HID). Las lámparas de HID ofrecen un alto flujo y una salida de luz de alta calidad, y facilitan la gestión de las consideraciones eléctricas y ópticas de los diseñadores de faros.
La lámpara de halogenuros metálicos ArenaVision MVF404 de Philips Lighting, parte de la gama de lámparas HID de alto flujo de Philips Lighting para la iluminación deportiva. (Crédito imagen: Philips Lighting, una marca de Signify.)
Pero hay indicios de que el viento está cambiando a favor de nuevas y mejores soluciones para los LED y los transformadores: por ejemplo, Signify (antes Philips Lighting) apareció en los titulares con su instalación de luces LED para el alumbrado del campo del estadio de Ekaterimburgo en Ekaterimburgo, uno de los estadios rusos que acogió los partidos de la Copa Mundial de Fútbol de 2018.
Entonces, ¿cuáles son los factores que fomentan el cambio a fuentes de luz LED en el campo de la iluminación deportiva? ¿Y qué distingue el diseño de una luz de campo deportivo basada en LED de la de un proyector con lámparas HID?
El alto coste de reemplazar las lámparas HID
El fin de la tecnología de lámparas de HID deleitará a los operadores de estadios y estadios deportivos por dos buenas razones. La primera es la vida útil limitada de las lámparas: normalmente un B50 (tiempo medio entre fallos) de sólo 5000 horas. Esto significa que los faros con lámparas de HID requieren cambios frecuentes de lámpara. Y, dado que las lámparas que deben ser sustituidas suelen estar situadas a unos 25 metros de altura, en la parte superior de un poste estrecho, se requiere un equipo especial de acceso y seguridad, así como técnicos cualificados, a un coste muy significativo.
El otro inconveniente importante de las lámparas HID es su comportamiento frente a una interrupción inesperada de la corriente, por ejemplo, cuando el circuito eléctrico de un estadio sufre un fallo. Las lámparas HID necesitan un período de enfriamiento de 10 a 15 minutos antes de reiniciar el proceso y, después de reiniciar el proceso, necesitan 5 minutos para alcanzar su plena iluminación. Esta fase de oscuridad y de iluminación parcial resulta potencialmente catastrófica si se produce un corte de energía durante un partido de gran audiencia: las consecuencias en materia de seguridad y orden público de decenas de miles de personas dentro de un estadio sumida en la oscuridad mientras se suspende el partido son extremadamente importantes.
Una fuente luminosa con un LED elimina estos dos problemas: la evaluación de la vida útil de una fuente luminosa con un LED depende de cómo se realice el diseño, pero normalmente estará dentro de un rango de 50 000 a 100 000 horas. Los LED también pueden encenderse instantáneamente con plena luz cuando la corriente se pone en marcha o se restaura después de un corte de energía.
Existen otras ventajas significativas para el uso de fuentes luminosas con LED para el alumbrado deportivo:
- Eficacia: La eficacia luminosa de una fuente basada en un sistema con LED puede alcanzar un nivel superior a 120 lm/W, mientras que la eficacia nominal de una lámpara HID se sitúa en torno a 90 lm/W.
- Arranque de baja tensión: una lámpara HID necesita un arrancador de alta tensión de unos 5 kV para su ignición. Esto requiere la creación cuidadosa de funciones de seguridad y protección del circuito. Además, encender las lámparas de HID a temperaturas ambiente inferiores a 0 °C puede ser difícil. Los LED no requieren un encendido de alta tensión.
- Atenuación: el alumbrado de las lámparas HID no puede atenuarse. En cambio, el alumbrado del LED puede reducirse fácilmente a niveles muy bajos. Esto es muy útil para ahorrar energía aprovechando la luz del día, o para proporcionar un nivel más bajo de iluminación durante las sesiones de entrenamiento o los partidos de los júniores, que tienen pocos espectadores, a diferencia de los partidos de competición de los mayores.
Efectos de iluminación dinámica: Dado que los LED pueden encenderse y apagarse al instante, los estadios pueden ofrecer efectos de iluminación dinámica para generar entusiasmo en el público, por ejemplo después de marcar un gol o cuando comienza y termina un periodo de juego intenso.
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Reflexiones sobre el diseño de un sistema de proyector LED
Por lo tanto, los beneficios que conlleva el uso de LEDs en los focos son extremadamente importantes. Por otra parte, la naturaleza de esta aplicación trae consigo limitaciones particulares para el diseño de la iluminación LED en mástiles altos, lo que ha obstaculizado los intentos de los fabricantes de equipos de utilizar los LED en la iluminación deportiva hasta hace poco tiempo. Sin embargo, en el transcurso de 2018, los proveedores de LED, transformadores y ópticos han lanzado una serie de nuevos productos para satisfacer los requisitos especiales de la iluminación de los estadios de postes altos y, como se demuestra en este artículo, ahora es más fácil que nunca crear un modelo eficiente de proyector con una fuente de luz basada en LED.
Las dificultades para crear soportes para focos LED se deben a una serie de requisitos muy estrictos. El área de juego que requiere una iluminación uniforme y sin sombras es enorme: en el caso del tenis, la cancha en sí misma mide 260 m2 y la superficie total, incluyendo el espacio para los jueces de línea, los asientos de los jugadores, etc., es de aproximadamente 680 m2. Para el fútbol, la superficie es aún mayor: el campo mide aproximadamente 7000 m2 y el área iluminada total mide aproximadamente 10 000 m2. La necesidad de iluminación depende de si el campo es utilizado por jugadores aficionados, y por lo tanto no requiere luz brillante, o para un deporte profesional de alto nivel con espectadores. En este último caso, podrá ser necesaria una iluminación de más de 1000 lux en la superficie de juego. Dependiendo de la altura del mástil y del tamaño del área de juego, esto requiere una salida de luz de la fuente que oscila entre cientos y miles de kilolumen.
Esta considerable salida de luz también debe ser proporcionada por una superficie de emisión de luz que se reduzca al mínimo. Esto evita obstruir la vista de los espectadores: para las luces montadas en postes, el poste debe ser lo más estrecho posible, lo que requiere una fuente de luz pequeña con la menor carga posible en el poste en condiciones de viento. Si la iluminación se monta en el techo de un estadio, la lámpara debe ser pequeña y ligera también, ya que la estructura del techo de un estadio no está normalmente diseñada para soportar objetos pesados.
En la iluminación profesional de los estadios, la calidad de la luz también es rigurosamente estipulada por las emisoras. El Índice de Consistencia de la Iluminación en Televisión (TLCI) fue desarrollado por la Unión Europea de Radiodifusión para medir la capacidad de una fuente de luz de reproducir los colores con precisión cuando es vista por una cámara de vídeo. Existe una correlación entre el TLCI y el Índice de Rendimiento de Color (IRC), que mide la precisión de la representación del color tal y como la percibe el ojo humano en lugar de una cámara. Pero los emisores de LED no deberían asumir que un LED de alto rendimiento también cumplirá con los requisitos TLCI.
Los focos Philips ArenaVision iluminan el Phoenix Snow Stadium en las Olimpiadas de Invierno de Corea del Sur de 2018. (Crédito imagen: Signify [anteriormente Philips Lighting])
La lámpara de HID es una gran solución a los problemas de tamaño y peso: una sola lámpara de HID de 2 kW produce de 150 000 a 200 000 lm, por lo que solo se necesitan unas pocas lámparas montadas en cada mástil.
El desafío de diseñar con LED es mantener la superficie emisora de luz (LES) lo más pequeña posible. Esto no es fácil cuando se utilizan chips LED ordinarios, que suelen producir alrededor de 300 lm cada uno. Con tales dispositivos, un reflector de mástil alto requeriría demasiadas unidades y ocuparía demasiado espacio.
En la actualidad, sin embargo, Nichia ha lanzado el NV9W149AM, un LED multichip que proporciona una salida nominal de 2490 lm de luz de 90 IRC a una corriente de suministro de 2,1 A, aunque puede ser alimentado por hasta 3 A. Se suministra en un paquete de 7 mm x 7 mm x 3,1 mm. Permite a los diseñadores de sistemas alcanzar la altísima potencia lumínica que también requieren los estadios deportivos profesionales para las luminarias con una huella total pequeña, ya que ofrece una alta eficacia y calidad luminosa.
También es posible utilizar LEDs de montaje directo en el chip (Chip-on-Board o CoB), que también ofrecen una alta densidad de flujo, pero la huella del sistema será mayor que la de los modelos basados en el NV9W149AM. Por otra parte, los CoB tienen un voltaje relativamente alto y una distancia de fuga y separación baja, lo que limita la cantidad permitida en serie en el mismo circuito.
En ambos casos, el funcionamiento de muchos LED de alto flujo cerca unos de otros genera altos niveles de calor residual, por lo que la selección del material de los PCB y la estructura de la placa requerirá una gran experiencia en el diseño.
Colocación de transformadores de alta potencia
El desafío del diseño no se limita a la selección e integración de los LED: la elección de la fuente de alimentación de los LED también tiene consecuencias de gran alcance.
La elección del transformador LED está determinada por dos factores esenciales. En primer lugar, el transformador aporta una carga elevada, potencialmente superior a 500 W, a los sistemas de iluminación de los estadios de fútbol profesionales, por ejemplo. Ningún transformador es 100 % eficiente y la pérdida de energía se disipa en forma de calor emitido por la unidad. Por lo tanto, un transformador de 500 W que funcione con una alta eficiencia del 95% generará una pérdida de calor equivalente a 26 W. Si no se gestiona adecuadamente, la fuente de alimentación podría superar rápidamente su umbral de corte de seguridad térmica.
Los diseñadores de equipos de iluminación LED están empezando a pensar en un módulo de transformador integrado como una caja negra autogestionada, que no requiere una gestión térmica externa. En este caso, sin embargo, el diseñador haría bien en considerar cómo eliminar de forma segura las grandes cantidades de calor de la carcasa del transformador al aire ambiente sin sobrecalentar el aire de la carcasa del sistema.
Un transformador LED EFD-1K2SxxxDV 1,2 kW de Inventronics pesa 6,6 kg.
La otra preocupación en la elección del transformador es el peso: cuanto más ligera sea la luminaria, más estrecho será el poste y menor será el soporte estructural necesario para la iluminación montada en la cubierta. La serie EFD-1K2SxxxDV de transformadores LED de 1,2 kW en Inventronics, por ejemplo, es una buena elección para luminarias de alto flujo. Un peso de 6,6 kg: pesa menos que un sistema de alimentación equivalente compuesto por varios transformadores, cada uno de ellos de menor potencia.
Un montaje remoto al pie del poste sería una alternativa al montaje del transformador en la parte superior del poste, junto a los LED. Se trata de un enfoque innovador en el diseño de sistemas de alimentación para LED, para el cual no hay requisitos en otras aplicaciones. Las señales de control deben viajar una larga distancia entre un transformador remoto y los LED. Un montaje remoto puede interferir con el funcionamiento del bucle de retroalimentación, lo que provocaría una inestabilidad en la producción de energía y, por lo tanto, un debilitamiento perceptible de la luz producida. Además, el diseñador tendrá que considerar la caída de tensión a lo largo del cable y gestionar los requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) del sistema. No obstante, los fabricantes de transformadores están empezando a tener en cuenta los requisitos del montaje a distancia, desarrollando nuevos productos específicos para esta categoría.
Los diseñadores de proyectores de mástil alto también tendrán que considerar las especificaciones de ondulación de salida en su elección de transformador LED, ya que esto provoca el parpadeo de la luz, que es de crucial importancia en la iluminación de los eventos de radiodifusión: debe limitarse a menos del 2 %. También es importante considerar todas las condiciones de funcionamiento posibles, especialmente la ignición en tiempo frío. La tensión directa de los LEDs es más alto cuando están fríos que a la temperatura normal de funcionamiento. Los diseñadores deben permitir un margen significativo en la especificación del voltaje de salida del transformador, más allá del nivel esperado en el funcionamiento normal.
La elección de la interfaz de atenuación también es importante para habilitar las funciones de iluminación dinámica, como los destellos o los patrones de atenuación. Los fabricantes de luminarias tienden a preferir el control de DMX debido a su tiempo de respuesta más rápido en comparación con el DALI. Pocos transformadores de alta potencia ofrecen una interfaz DMX, lo que hace que las empresas de transformación DMX tengan un valor de 0 a 10 V, como el CNV-DXR de Inventronics.
Reflexiones sobre el diseño óptico
La lente FN16258 STELLA-RS de LEDiL se compone de silicio resistente a las altas temperaturas. (Crédito imagen: LEDiL)
El último elemento importante del sistema a considerar para la iluminación deportiva es el control del haz. En una topología clásica de cuatro mástiles, con un mástil en cada esquina de una superficie de juego rectangular, la iluminación debe dirigir con precisión la luz sobre un cuarto del área total desde una gran altura.
Los colimadores LED convencionales proporcionan un excelente control del haz de luz desde un pequeño punto de la fuente de luz. En un colimador, las pequeñas pérdidas ópticas se disipan como pérdida de calor. En los sistemas de flujo muy elevado, esto genera una gran cantidad de calor, incluso demasiado para los materiales de policarbonato (PC) o PMMA utilizados habitualmente en las lentes de LED, que tienden a deformarse a altas temperaturas.
También en este caso, los proveedores de componentes han desarrollado productos especializados para la iluminación deportiva. Por ejemplo, LEDiL ofrece la lente FN16258 STELLA-RS, que produce un haz de luz de 23° con un LES de 19 mm y es compatible con los LED con LES de hasta 30 mm de altura. Está hecho de silicio, un material resistente a temperaturas muy altas, pero pesado y menos estable mecánicamente que el PC o el PMMA.
Otro enfoque consiste en utilizar reflectores, pero tener que dejar una distancia de fuga y un espacio suficiente entre el reflector y el conjunto de LED de alto voltaje puede dar lugar a pérdidas ópticas, ya que la luz se escapa por detrás del borde delantero del reflector.
Mejorar el coste total de explotación y mucho más
Como suele ocurrir con las tecnologías basadas en LED, el mayor coste inicial de la iluminación deportiva con LED se recuperará a lo largo de la vida útil del sistema gracias a la reducción de los costes de mantenimiento y sustitución y a la disminución de las facturas de energía. La calidad y la flexibilidad de los controles funcionales de un sistema de iluminación LED proporcionan importantes beneficios adicionales. Como hemos visto en este artículo, el desarrollo de la sustitución de las lámparas HID tradicionales por un sistema basado en LED requiere una cuidadosa consideración de varios aspectos eléctricos, térmicos, mecánicos y ópticos. Sin embargo, los LED son la fuente de luz del futuro para la iluminación de los estadios, como lo demuestra el estadio de la Copa del Mundo en Ekaterinburgo.
Artículo redactado por François Mirand,EMEA Technical Director, Future Lighting Solutions (una rama de Future Electronics) www.futureelectronics.com
