Regulador de intensidad

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Un regulador de intensidad es un dispositivo conectado a una luminaria y que se utiliza para reducir el brillo de la luz . Al cambiar la forma de onda de voltaje aplicada a la lámpara, es posible reducir la intensidad de la salida de luz. Aunque los dispositivos de voltaje variable se utilizan para diversos fines, el término regulador de intensidad generalmente se reserva para aquellos destinados a controlar la salida de luz de las lámparas incandescentes resistivas , halógenas y (más recientemente) fluorescentes compactas (CFL) y diodos emisores de luz ( LED ). Se necesita equipo más especializado para atenuar la iluminación fluorescente , de vapor de mercurio , de estado sólido y otras luces de arco .

Los reguladores de intensidad varían en tamaño desde unidades pequeñas del tamaño de interruptores de luz domésticos hasta unidades de alta potencia que se utilizan en grandes instalaciones de iluminación teatral o arquitectónica . Los reguladores de intensidad domésticos pequeños generalmente se controlan directamente, aunque hay sistemas de control remoto (como X10 ). Los reguladores de intensidad profesionales modernos generalmente se controlan mediante un sistema de control digital como DMX o DALI . En los sistemas más nuevos, estos protocolos se suelen utilizar junto con Ethernet .

En la industria de la iluminación profesional, los cambios de intensidad se denominan "desvanecimientos" y pueden ser "desvanecimientos ascendentes" o "desvanecimientos descendentes". Los reguladores de intensidad con control manual directo tenían un límite en la velocidad a la que podían variar, pero este problema se ha eliminado en gran medida con las unidades digitales modernas (aunque los cambios muy rápidos en el brillo aún se pueden evitar por otras razones, como la vida útil de la lámpara).

Los reguladores de intensidad modernos se construyen a partir de semiconductores en lugar de resistencias variables, porque tienen una mayor eficiencia . Una resistencia variable disiparía energía en forma de calor y actuaría como un divisor de voltaje . Dado que los reguladores de intensidad de semiconductores o de estado sólido cambian rápidamente entre un estado de "encendido" de baja resistencia y un estado de "apagado" de alta resistencia, disipan muy poca energía en comparación con la carga controlada.

Más recientemente, los atenuadores internos programables por software pueden usar señales del mismo interruptor que enciende y apaga las luces para controlar la atenuación. No se necesita un atenuador externo dedicado. Un protocolo de comunicaciones simple, como Blink'n'Dim, envía comandos de atenuación a través de la línea eléctrica. Permiten el control por computadora a través de interruptores en red, pero no lo requieren. Su costo es aproximadamente el mismo que el de los circuitos de "atenuación" más antiguos que reemplazan en las bombillas, luminarias o controladores LED.

Los primeros reguladores de intensidad se controlaban directamente mediante la manipulación manual de grandes paneles de regulación de intensidad. Esto requería que toda la energía pasara por el lugar de control de la iluminación, lo que podía resultar incómodo, ineficiente y potencialmente peligroso para sistemas grandes o de alta potencia, como los que se utilizan para la iluminación de escenarios .

En 1896, Granville Woods patentó su "regulador de seguridad", que redujo en gran medida el desperdicio de energía al reducir la cantidad de energía generada para satisfacer la demanda deseada en lugar de quemar energía no deseada. ^[1]

En 1959, Joel S. Spira , quien fundaría la Lutron Electronics Company en 1961, inventó un regulador de intensidad basado en un dispositivo de conmutación de estado sólido, entonces nuevo, llamado rectificador controlado por silicio o SCR. Este pequeño dispositivo permitía instalar el regulador de intensidad en una caja eléctrica de pared estándar y, al mismo tiempo, ahorrar energía. ^{[2] [3]}

En 1966, Eugene Alessio patentó un adaptador de portalámparas para ajustar el nivel de luz de una sola bombilla mediante un triac . Para alojar este dispositivo, decidió utilizar un dispositivo redondo de 2 pulgadas con un extremo capaz de enroscarse en el portalámparas y el otro extremo capaz de recibir una bombilla. ^[4]

Cuando se empezaron a utilizar los reguladores de luz de estado sólido, se hicieron viables los sistemas de control remoto analógicos (como los sistemas de control de iluminación de 0 a 10 V ). El cable para los sistemas de control era mucho más pequeño (con menor corriente y menor peligro) que los pesados ​​cables de alimentación de los sistemas de iluminación anteriores. Cada regulador de luz tenía sus propios cables de control, lo que hacía que muchos cables salieran del lugar de control de la iluminación.

Los protocolos de control digital más recientes, como DMX512 , DALI o uno de los muchos protocolos basados ​​en Ethernet como Art-Net , ETCnet, sACN , Pathport, ShowNet o KiNET ^[5] permiten el control de una gran cantidad de reguladores (y otros equipos de escenario) a través de un solo cable.

Los reguladores de intensidad basados ​​en reóstatos eran ineficientes, ya que disipaban una parte importante de la potencia nominal de la carga en forma de calor. Eran grandes y requerían mucho aire de refrigeración. Como su efecto de regulación dependía en gran medida de la carga total aplicada a cada reóstato, la carga debía ajustarse con bastante cuidado a la potencia nominal del reóstato. Por último, como dependían del control mecánico, eran lentos y resultaba difícil cambiar muchos canales a la vez.

Los primeros ejemplos de un regulador de intensidad con reóstato incluyen un regulador de intensidad de agua salada , un tipo de reóstato líquido ; el líquido entre un contacto fijo y uno móvil proporcionaba una resistencia variable. Cuanto más cerca estaban los contactos entre sí, más voltaje estaba disponible para la luz. Los reguladores de intensidad de agua salada requerían la adición regular de agua y mantenimiento debido a la corrosión; las partes expuestas se energizaban durante el funcionamiento, lo que presentaba un peligro de descarga eléctrica. ^{[6] [ ¿ Fuente poco confiable? ]}

El transformador de rotación de bobinas utiliza una bobina electromagnética de posición fija junto con una bobina de posición variable para variar el voltaje en la línea al variar la alineación de las dos bobinas. Al girar 90 grados entre sí, la bobina secundaria se ve afectada por dos campos iguales pero opuestos provenientes de la primaria, que se cancelan entre sí y no producen voltaje en la secundaria.

Estas bobinas se parecían al rotor y al estator estándar que se utilizan en un motor eléctrico, excepto que el rotor se mantenía inmóvil para que no girara mediante frenos y se movía a posiciones específicas mediante engranajes de alto par. Como el rotor nunca daba una vuelta completa, no se necesitaba un conmutador y, en su lugar, se podían utilizar cables largos y flexibles en el rotor.

Luego se introdujeron los autotransformadores variables (nombre comercial " Variac "). Si bien siguen siendo casi tan grandes como los reguladores de intensidad de reóstato, a los que se parecen mucho, son dispositivos relativamente eficientes. Su salida de voltaje, y por lo tanto su efecto de atenuación, es en gran medida independiente de la carga aplicada, por lo que era mucho más fácil diseñar la iluminación que se conectaría a cada canal del autotransformador. El control remoto de los reguladores de intensidad todavía no era práctico, aunque algunos reguladores de intensidad estaban equipados con motores que podían reducir o aumentar de manera lenta y constante el brillo de las lámparas conectadas. Los autotransformadores han caído en desuso para la iluminación, pero se utilizan para otras aplicaciones.

Sin embargo, existen determinados escenarios de iluminación en los que los autotransformadores siguen siendo una solución deseable (a fecha de 2021). Por ejemplo, la sala de control de un estudio de grabación de audio puede requerir un límite extremadamente estricto para la interferencia electromagnética. En comparación con los reguladores de estado sólido, las emisiones conducidas producidas por los autotransformadores son prácticamente nulas. ^{[ cita requerida ]}

Los reguladores de luz de estado sólido o semiconductores se introdujeron para resolver algunos de estos problemas. Los reguladores de luz semiconductores se encienden en un momento ajustable (ángulo de fase) después del inicio de cada semiciclo de corriente alterna, alterando así la forma de onda de voltaje aplicada a las lámparas y cambiando así su valor eficaz RMS . Debido a que conmutan en lugar de absorber parte del voltaje suministrado, hay muy poca energía desperdiciada. La atenuación puede ser casi instantánea y se controla fácilmente mediante electrónica remota. Este desarrollo también hizo posible hacer reguladores de luz lo suficientemente pequeños para ser utilizados en lugar (dentro del patrón ) de interruptores de luz domésticos normales.

Los interruptores generan algo de calor durante la conmutación y también pueden causar interferencias de radiofrecuencia . ^[7] Se utilizan inductores o bobinas como parte del circuito para suprimir esta interferencia. Cuando el regulador está al 50% de potencia, los interruptores están conmutando su voltaje más alto (>325 V en Europa) y el aumento repentino de potencia hace que las bobinas del inductor se muevan, creando un zumbido asociado con algunos tipos de reguladores; este mismo efecto se puede escuchar en los filamentos de las lámparas incandescentes como "canto". El circuito de supresión puede ser insuficiente para evitar que se escuche el zumbido en equipos de audio y radio sensibles que comparten la fuente de alimentación con las cargas de iluminación. En este caso, se deben tomar medidas especiales para evitar esta interferencia. ^[8] Los reguladores europeos deben cumplir con los requisitos de la legislación EMC pertinente ; esto implica suprimir las emisiones descritas anteriormente a los límites descritos en EN55104.

En el esquema eléctrico que se muestra, un regulador de luz típico basado en un rectificador controlado por silicio (SCR) atenúa la luz a través del control del ángulo de fase. Esta unidad está conectada en serie con la carga. Los diodos (D2, D3, D4 y D5) forman un puente, que genera CC pulsada. R1 y C1 forman un circuito con una constante de tiempo. A medida que el voltaje aumenta desde cero (al comienzo de cada media onda), C1 se carga. Cuando C1 puede hacer que el diodo Zener D6 conduzca e inyecte corriente en el SCR, el SCR se activa. Cuando el SCR conduce, D1 descarga C1 a través del SCR. El SCR se apaga cuando la corriente cae a cero y el voltaje de suministro cae al final del medio ciclo, listo para que el circuito comience a funcionar en el siguiente medio ciclo. Este circuito se llama regulador de borde de ataque o atenuación de fase directa .

Los reguladores basados ​​en transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) eliminan la mayor parte del ruido presente en los TRIAC cortando el lado descendente de la onda sinusoidal. Estos circuitos se denominan reguladores de borde posterior o reguladores de fase inversa .

Una tecnología aún más nueva, pero aún costosa, es la atenuación de onda sinusoidal , que se implementa como una fuente de alimentación conmutada de alta potencia seguida de un filtro. ^{[9] [10]}

Los reguladores de intensidad que no se utilizan en el hogar suelen controlarse de forma remota mediante varios protocolos. Los reguladores de intensidad analógicos suelen requerir un cable independiente para cada canal de regulación que transporta una tensión entre 0 y 10 V. A continuación, algunos circuitos analógicos derivan una señal de control a partir de esta y de la fuente de alimentación de red para los interruptores. A medida que se añaden más canales al sistema, se necesitan más cables entre el controlador de iluminación y los reguladores de intensidad.

A finales de los años 70 se desarrollaron los protocolos analógicos en serie, que multiplexaban una serie de niveles analógicos en un único cable, con una señal de reloj integrada similar a una señal de vídeo compuesto (en el caso del estándar europeo D54 de Strand Lighting , que manejaba 384 reguladores de intensidad) o una señal de reloj independiente (en el caso del estándar estadounidense AMX192 ).

Los protocolos digitales, como DMX512, han demostrado ser la respuesta desde finales de los años 80. En las primeras implementaciones, se enviaba una señal digital desde el controlador a un demultiplexor , que se encontraba junto a los reguladores de intensidad. Este convertía la señal digital en un conjunto de señales de 0 a +10 V o de 0 a -10 V que se podían conectar a los circuitos de control analógicos individuales.

Los diseños de reguladores de intensidad modernos utilizan microprocesadores para convertir la señal digital directamente en una señal de control para los interruptores. Esto tiene muchas ventajas, ya que permite un control más preciso de la regulación y brinda la oportunidad de enviar información de diagnóstico de manera digital al controlador de iluminación.

Algunos reguladores de intensidad en aplicaciones residenciales también están equipados con un receptor de radio para ser utilizados como interruptores de luz inalámbricos que pueden controlarse de forma remota mediante un transmisor de radio. ^[11]

El parcheo es la asignación física ("parche duro") o virtual ("parche suave") a un circuito o canal con el propósito de control.

Los reguladores de intensidad suelen estar dispuestos juntos en bastidores, donde se puede acceder a ellos fácilmente, y luego se suministra energía a los instrumentos que se están controlando. En las instalaciones arquitectónicas, la electricidad se suministra directamente desde los reguladores de intensidad a las luces a través de un cableado permanente (esto se denomina circuito ). Son fijos y no se pueden cambiar.

Sin embargo, los lugares como los teatros exigen más flexibilidad. Para permitir cambios en cada espectáculo, y ocasionalmente durante los espectáculos, los teatros a veces instalan circuitos conectados permanentemente a enchufes en todo el teatro. En lugar de que estos circuitos vayan directamente al regulador de intensidad, se conectan a un panel de conexiones . Un panel de conexiones generalmente se encuentra al lado de los reguladores de intensidad, lo que permite conectarlos a circuitos específicos a través de un cable de conexión. El panel de conexiones también puede permitir que se conecten muchos circuitos a un regulador de intensidad e incluso una conexión en serie para lámparas de bajo voltaje. Además, en algunos teatros, los cables individuales se pasan directamente desde la luz al regulador de intensidad. Las conexiones asignadas entre los circuitos (ya sea en el panel de conexiones o en forma de cables individuales) y los reguladores de intensidad se conocen como red eléctrica o conexión fija . Esto es más común en teatros más antiguos y en una gira donde los reguladores de intensidad serán traídos por la compañía de gira.

La mayoría de las instalaciones fijas modernas no tienen bahías de conexión; en su lugar, tienen un atenuador por circuito y conectan los atenuadores a los canales mediante un Soft Patch de una consola de control computarizada .

El diseño de la mayoría de los reguladores analógicos implicaba que la salida del regulador no era directamente proporcional a la entrada. En cambio, cuando el operador subía un regulador, el regulador se atenuaba lentamente al principio, luego rápidamente en el medio y luego lentamente en la parte superior. La forma de la curva se parecía a la del tercer cuarto de una onda sinusoidal. Los distintos reguladores producían distintas curvas de atenuación y, por lo general, las distintas aplicaciones exigían respuestas distintas.

La televisión suele utilizar una curva de "ley cuadrada", que proporciona un control más preciso en la parte superior de la curva, esencial para permitir un ajuste preciso de la temperatura de color de la iluminación. Los reguladores de intensidad para teatros tienden a utilizar una curva "S" o lineal más suave. Los reguladores de intensidad digitales pueden configurarse para que tengan la curva que desee el fabricante; pueden tener la opción de una relación lineal y la selección de diferentes curvas, de modo que se puedan combinar con reguladores de intensidad analógicos más antiguos. Los sistemas sofisticados proporcionan curvas programables por el usuario o no estándar, y un uso común de una curva no estándar es convertir un regulador de intensidad en uno "no atenuable", encendiéndolo a un nivel de control definido por el usuario.

El cambio de las lámparas incandescentes (de filamento) de alta intensidad a la potencia máxima desde el estado frío puede acortar drásticamente su vida útil, debido a la gran corriente de entrada que se produce. Para reducir la tensión en los filamentos de la lámpara, los reguladores de intensidad pueden tener una función de precalentamiento . Esta establece un nivel mínimo, normalmente entre el 5% y el 10%, que parece apagado, pero evita que la lámpara se enfríe demasiado. Esto también acelera la reacción de la lámpara a las ráfagas repentinas de potencia que los operadores de espectáculos de estilo rock'n'roll aprecian. La función opuesta a esta función a veces se denomina " ajuste superior" . Esto limita la potencia máxima suministrada a una lámpara, lo que también puede prolongar su vida útil.

En sistemas menos avanzados, este mismo efecto se logra literalmente precalentando (calentando) los globos antes de un evento o actuación. Esto se logra generalmente aumentando lentamente la potencia de las luces hasta el 90-95 % durante un período de entre media y una hora. Esto es tan efectivo como una función de precalentamiento incorporada.

Los escritorios digitales modernos pueden emular curvas de precalentamiento y regulación de intensidad y permitir que se realice un parche suave en la memoria. Esto suele ser lo preferido, ya que significa que el bastidor de regulación de intensidad se puede cambiar por otro sin tener que transferir configuraciones complicadas. Se pueden programar y utilizar muchas curvas o perfiles diferentes en diferentes canales.

Una medida de la calidad de un regulador de intensidad de borde delantero es el "tiempo de subida". El tiempo de subida en este contexto es la cantidad de tiempo que tarda la parte de corte de la forma de onda en llegar desde cero hasta el voltaje de salida instantáneo. En la forma de onda anterior, es una medida de la pendiente del borde casi vertical de la traza roja. Normalmente se mide en decenas a cientos de microsegundos. Un tiempo de subida más largo reduce el ruido del regulador y de la lámpara, además de extender la vida útil de la lámpara. Un tiempo de subida más largo también reduce la interferencia electromagnética producida por el regulador. Como era de esperar, un tiempo de subida más largo es más costoso de implementar que uno corto, esto se debe a que se debe aumentar el tamaño del estrangulador. Los métodos de atenuación más nuevos pueden ayudar a minimizar estos problemas.

• Bellman, Wilard F. (2001). Iluminación del escenario. Arte y práctica, tercera edición , capítulo 4: La consola de control, Broadway Press, Inc., Louisville Kentucky, ISBN 0-911747-40-0 , 
• Van Goethem, Chris (2019). Luces que se apagan. Transiciones en la iluminación teatral en un contexto histórico. En: Die Vierte Wand. Organ der Initiative TheaterMuseum Berlin . 009/2019, pág. 128–139 (en línea en Internet Archive)
• sound.whsites.net Archivado el 9 de marzo de 2017 en Wayback Machine

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Reguladores de iluminación .

• Circuitos de regulación de luz
• Reguladores de intensidad, conmutadores y eficiencia