El mundo se está moviendo hacia un entorno ecológico, donde el ahorro de energía de cualquier forma posible es crucial. Los fabricantes de productos de accionamiento eléctrico cambian a fuentes de alimentación de conmutación y añaden inteligencia a los sistemas para lograr este ahorro. Las aplicaciones de iluminación también están cambiando a fuentes de luz basadas en LED, principalmente debido a su bajo derroche de energía y alta eficiencia, y los semáforos y las señales de tráfico no son una excepción.

Desde enero de 2006, las señales de tráfico, los semáforos y los letreros luminosos de “salida/exit” han tenido que cumplir con los niveles de eficiencia Energy Star para entrada de 5W y mayores. A pesar de que las señales de tráfico y de peatones se estimaban como la principal aplicación donde todavía se están utilizando lámparas halógenas en el año 2007, esta norma creó una transición a, y una demanda de, iluminación LED en estas aplicaciones. Para apoyar aún más el ahorro de energía en aplicaciones de iluminación LED, así como para cumplir con las regulaciones europeas para señales de tráfico y ser competitivos en el mercado, se necesita más inteligencia. Esto puede lograrse por medio de sensores de bucle cerrado, comunicaciones y el control LED eficiente.

 

Los proveedores de señales de tráfico  tienden a proporcionar señales de tráfico de energéticamente eficientes y sofisticadas que también se pueden combinar una buena calidad óptica y con un diseño atractivo.

Hay diferentes sistemas de señales de tráfico disponibles hoy en el mercado, incluyendo los señales de tráfico, señales de stop, semáforos, pantallas de tráfico y alumbrado público. La mayoría de los sistemas básicos se suministran desde un bloque de distribución de energía que se encuentra en una unidad central de control. El bloque de control proporciona alimentación de CC a la señal de tráfico mediante cables convencionales de alimentación donde se utiliza una simple señal tipo ON/OFF. La energía distribuida se extiende en 12V, 24V, 40V y 48VCC. Dado que los diferentes países tienen diferentes regulaciones, la tensión de alimentación a las señales de tráfico depende del país y sus requerimientos de luminosidad estándar. Por ejemplo, para cumplir con las exigencias del mercado del Reino Unido para las luces de tráfico, se tiene que proporcionar 48VDC a cada unidad.

Algunos semáforos se suministran directamente desde la red de 230VCA. La mayoría de estos son sistemas que también llevan un indicador de tiempo, además de los tres indicadores habituales rojo, verde y ámbar. La señal de cuenta atrás se lleva a cabo con un par de tiras de LED dentro de la señal que muestran el valor de cuenta atrás en los 7s en color rojo o verde según sea el caso. El valor de la cuenta regresiva indica el tiempo en segundos que quedan hasta que el sistema pase a la siguiente fase del semáforo, lo que contribuye a una mejor orientación y menos comportamientos de riesgo de los peatones y automovilistas en las intersecciones. Esto es útil para proporcionar información a los conductores y les ayuda a estar preparados para arrancar o parar. El contador de la señal por lo general tiene su propio controlador de LED integrado, donde el tiempo de intervalo entre la cuenta y el algoritmo de 7s está también desarrollado. Para los otros tres colores de la señal, el controlador LED se encuentra normalmente dentro de un bloque de control. Muchos fabricantes construyen los 7 con 42 LEDs, donde 6 LEDs se utilizan en cada segmento de la pantalla de 7s.

Es bien sabido que las señales de tráfico básicas están equipadas con los tres colores rojo, verde y ámbar. Sin embargo, en muchos casos la luz roja contiene algo de naranja en su color, y la luz verde tiene un cierto color azul. Esto es para proporcionar algún apoyo a las personas con ceguera a los colores rojo-verde. Este tipo de sistema requiere de inteligencia extra y apoyo de varios colores donde la intensidad de luz esta calibrada de forma apropiada y luego atenuada a un cierto nivel para producir el tono correcto.

Los semáforos actuales también están equipados con sensores inteligentes para la detección y cuenta de los vehículos que circulan. Los sensores se utilizan para mejorar el rendimiento de los semáforos y ajustar el tiempo entre los diferentes colores de luz. Los sensores se utilizan para detectar peatones o ciclistas que cruzan por lo que los semáforos pueden cambiar en consecuencia. Otro uso importante de los sensores es lidiar con los atascos de tráfico. Si se produce un atasco de tráfico, el sistema puede activar los semáforos para cambiar antes de lo habitual para ayudar a dispersarlo.
También hay sistemas con sensores que se pueden interrumpir y son capaces de dar prioridad al tráfico especial, como ambulancias o vehículos de la policía. Este tipo de sistema puede detectar un vehículo de emergencia que se aproxima con las sirenas en funcionamiento y puede cambiar las luces en consecuencia. Los sensores utilizados en la detección de vehículos preferentes se basan generalmente en transmisores inalámbricos, infrarrojos u ópticos que envían una petición al controlador de luces para cambiar cuando se detecta que un vehículo de emergencia se aproxima. Algunos sistemas también utilizan sensores de sonido que son capaces de leer un determinado tipo de sirena y se utilizan para detectar ambulancias acercándose.
Para optimizar el flujo de tráfico, los fabricantes de semáforos también integran sensores para la detección de vehículos y bicicletas con un borde de metal que se acercan a un paso de peatones o a un cruce. A continuación, cambian las luces en consecuencia. Los sensores se construyen generalmente con sensores inductivos y funcionan mediante la detección de cambios en el campo electromagnético.

Cuando un vehículo entra en el campo de los sensores magnéticos, hace que la luz cambie. La debilidad fundamental de este tipo de detección es que un fallo en el dispositivo sensor puede causar que falle el sistema para detectar los coches que esperaban en un carril de giro o de cruce. Esto puede causar un considerable, incluso indefinido, retardo al tráfico, así como el resultado de no cumplimiento con la señal de seguridad. Otra desventaja de este tipo de técnica es la limitación en el tipo de vehículo que el sensor puede detectar. Los vehículos más grandes que contengan un metal como el acero pueden afectar al campo magnético de los sensores y activar el sistema. Sin embargo, esto no siempre funciona para vehículos pequeños, tales como motocicletas, sin un ajuste de la sensibilidad adecuada. La detección de un coche pequeño, una motocicleta o incluso una bicicleta requieren que el sistema detector pueda ajustarse de modo que sea más sensible lo de normal para niveles requeridos en la detección de un vehículo normal. Los detectores modernos como los detectores de montaje en rack y de montaje en estantería, ofrecen múltiples niveles de sensibilidad para este propósito. Aunque el sensor inductivo es la técnica más común, las soluciones alternativas pueden ser los sensores basados en láser o mangueras de goma llenas de aire.
Hoy en día son muy populares las señales de mensaje cambiante que integran sensores de proximidad para avisar de eventos cercanos, como indicadores de la velocidad del conductor o mensajes de advertencia que parpadean cuando se acercan los automóviles. Estos sistemas son baratos de instalar y muchos de ellos funcionan con energía solar, haciéndolos ideales para la reducción de accidentes en las zonas donde la red eléctrica no está disponible. Los sensores están interconectados al controlador del sistema de varias maneras. La salida de los sensores analógicos pueden ser leída  por con convertidor de analógico a digital (ADC). Los sensores digitales, que son más comunes en estos días, ofrecen interfaces en serie, tales como bus I?C (Inner-integrated circuit) o un bus SPI (Serial Peripheral Interface) para comunicarse con los microcontroladores. La ventaja del bus I?C es la capacidad de red, donde múltiples sensores I?C compatibles u otros dispositivos pueden ser conectados en una red. Por otro lado, SPI ofrece una velocidad de comunicación superior.
Algunos semáforos están equipados con cámaras de velocidad, así una señal adicional se utiliza para mostrar en el 7s la velocidad de un vehículo que se aproxima. Hay diferentes tipos de semáforos disponibles en la actualidad de diferentes fabricantes. La combinación de inteligencia y la alta luminancia en los sistemas ayuda a aumentar la seguridad del tráfico en las intersecciones. La variedad de opciones permite a los clientes seleccionar los sistemas adecuados para adaptarse a sus requisitos de aplicación, así como para cumplir con las regulaciones en su país.

Los distintos fabricantes utilizan diversos métodos de aplicación de los LED en los sistemas de semáforos, lo que reduce el consumo de energía en un 20% en comparación con lámparas halógenas. Algunos de ellos sólo usan de dos a cinco LEDs en cada señal de un de semáforo para producir la luz, ahorrando el coste del sistema y la energía. Muchos semáforos hoy en día también incluyen  símbolos dentro de la señal. Estos incluyen una flecha verde, que indica que el movimiento hacia adelante se permite cuando está activo, y el símbolo del hombre que camina en una señal de cruce. Hay tráfico no motorizado como peatones y ciclistas, y se activan con retroiluminación LED. En algunos países del norte y del este de Europa esta señal adicional también se dedica al transporte público tales como trolebuses y tranvías. Esta señal se construye generalmente con un enfoque de LED multicanal, que permite la integración de símbolos de tráfico especiales para el transporte público. La imagen real de una flecha, un hombre caminando u otra señal está marcada en el material óptico en el momento de la fabricación y se utiliza como un envolvente óptico para cada señal. Cuando los LEDs en la parte posterior de la óptica estén encendidos, la luz sólo es visible dentro de la flecha, mientras que el resto de la zona dentro de esta señal no conduce la luz. Una vez más, ya que son necesarios un menor número de LEDs para producir la imagen, la ventaja de este tipo de enfoque es el ahorro de costes en los LED y el consiguiente menor consumo de energía. Otros fabricantes utilizan decenas de LEDs en cada señal y utilizan LEDs individuales para crear imágenes y formas dentro de la señal. La ventaja de este tipo de enfoque es la flexibilidad y capacidad de programación de las imágenes. También permite la inserción de objetos en movimiento en la señal, donde la matriz de LEDs dentro  de la señal cambia los LED apropiados para crear la imagen requerida. Para proporcionar el nivel de brillo que cumple con las regulaciones de la autoridad de tránsito local, las señales de tráfico basado en LED tienen que ser regulables. Esto permite que los instaladores puedan establecer el nivel requerido de brillo.

Como se mencionó anteriormente, los sistemas de control son las unidades centrales de control que se utilizan para proporcionar servicios de gestión de energía y de configuración a los sistemas de semáforos. La mayoría de los sistemas de control pueden proporcionar hasta 900 W, algunos de ellos incluso más. Estas unidades de control operan controlan todos los semáforos del lugar. Así que si hay varios semáforos en un cruce o señales de tráfico fijadas en un puente, un solo sistema de control gestiona todos los semáforos y señales de tráfico en esa ubicación en particular.

Sabiendo que diferentes niveles de tensión deben ser compatibles en diferentes países, estos sistemas de control incluyen fuentes de alimentación inteligentes y configurables para proporcionar un amplio rango de voltaje de CC para adaptarse a los requisitos variables de voltaje.

Los fabricantes de sistemas de control implementan una variedad de opciones de HMI para la configuración y programación de los semáforos y las señales. Muchas compañías ofrecen pantallas táctiles con un sistema operativo fiable, como Linux, así como varias interfaces en serie, tales como USB, Ethernet y RS485. Estos permiten a los técnicos hacer configuraciones y cargar los datos de mapa de bits.

Las señales de tráfico y las señales de mensajes variables se utilizan para mostrar la información en carreteras y están ganando una adopción más amplia, mejorando así la información para el conductor y la seguridad, al mismo tiempo que alivian la congestión, como parte de un Sistema de Transporte Inteligente (ITS). Los tipos de signos varían desde simples signos, basados en unos pocos  LES de canal uno a tres, que se utilizan sobre todo en las ciudades y otras áreas edificadas. Estos incluyen señales intermitentes de límite de velocidad, espacio de aparcamiento y señales de entrada, y otros signos de advertencia. Estos tienen bajo rendimiento y pocos requisitos de iluminación LED, pero ofrecen un crecimiento significativamente mayor en el mercado.

Las grandes señales de mensaje variable de las autopistas, como información de autopista, congestión del centro de la ciudad y señales de carriles de peaje, se construyen con una matriz de píxeles LED RGB para proporcionar la variación del color y el efecto de los objetos en movimiento, dependiendo de los requisitos. Cada fabricante tiene un enfoque diferente para el diseño de pantallas LED de gran tamaño para el tráfico, pero el método más común consiste en dividir la región de presentación en segmentos de píxeles y poner una serie de pequeños controladores iguales para cada segmento para controlar un número de píxeles en el mismo. Estos controles de segmento están gestionados centralmente por un sistema de control dentro de la unidad principal que está programada con el mensaje o mapa de bits que se muestra. RS-485 es una interfaz común entre la mayoría de los fabricantes. Se utiliza como un protocolo de comunicaciones entre el controlador principal y los controladores de segmentos que están pre-programados con direcciones únicas.
Uno de los mercados de mayor crecimiento para la sustitución por LEDs son las luces de la calle. En las primeras etapas de este mercado en desarrollo, se consideró que un LED blanco de un solo color era suficiente para satisfacer los requisitos principales. Sin embargo, vale la pena señalar que esto no es realmente la mejor opción para la percepción visual humana, que varía en función de las condiciones de luz e incluso de la ubicación. Curiosamente, la visión fotópica en un ambiente bien iluminado y la visión escotópica en la noche se superponen en algún lugar del espectro de color verde/azul. En este punto, el ojo humano tiene la mejor percepción visual en condiciones de poca luz. Por tanto, es más eficiente producir luz de color en el espectro correcto, lo que permite una mejor visibilidad y ahorro de energía. Por ejemplo, la percepción visual humana es diferente cuando uno se encuentra en el campo o en la ciudad. En el campo, el ojo requiere más de un tono verde en las luces, pero más rojo en la ciudad donde hay un ambiente más iluminado. Diferentes desarrolladores tienen enfoques distintos para resolver esto, pero es común desarrollar un controlador LED multicanal para satisfacer los requisitos de mezcla de color. Para seguir contribuyendo al ahorro de energía, producir la combinación adecuada de colores permite un mayor nivel de brillo con menor consumo de energía. Muchos fabricantes de lámparas de calle hoy en día también integran sensores de proximidad que automáticamente oscurecen o  aumentan la luminosidad, en función de si se detecta una presencia  en un radio determinado de la lámpara. También hay lámparas con sensores de luz ambiental que pueden ajustar automáticamente el brillo de la luz en función del nivel de luz ambiental. Todas estas características añaden inteligencia a los sistemas y, sobre todo, contribuyen a un ahorro significativo de energía.

Aunque los LEDs ofrecen ventajas significativas tales como su duración, potencia de eficiencia luminosa y bajo voltaje de funcionamiento, dos de los inconvenientes inevitables de la tecnología LED actuales son su degradación de luz, que normalmente comienza ocurriendo con el paso del tiempo y el cambio de color con el cambio de temperatura. Por desgracia, todos los LED fabricados tienen características diferentes que llevan a los diseñadores de controladores LED a tomar en consideración a la hora de desarrollar fuentes de alimentación LED para semáforos y otros productos de iluminación LED industriales. En los sistemas de semáforos, farolas y otros productos de iluminación LED, la capacidad de detectar el inicio de cualquier degradación de la intensidad de la luz es esencial. Esto es para asegurar que el nivel de emisión de luz es compatible con las normas europeas requeridas para el mínimo  brillo de señales de tráfico, tales como la ECE65. El sistema puede ser configurado para compensar automáticamente el nivel de salida de luz mediante el aumento de la corriente a través de los LED una vez que se detecta una degradación. Esto puede lograrse mediante la constante supervisión de la corriente a través de cada canal LED. Los microcontroladores de iluminación de Renesas integran hasta 9 canales de 10-bit ADCs y hasta 3 comparadores de canal que se pueden utilizar para controlar las corrientes y ajustar las salidas PWM salidas en consecuencia en sistemas LED multicanal o de un solo canal. Otro aspecto importante a tener en cuenta es la detección de fallos  LED. Esto puede ser crucial en las señales de tráfico basadas en LED ya que el sistema tiene que ser protegido de una iluminación accidental de los colores equivocados. Además, una de las principales ventajas de la adopción de LEDs para las luces de la calle es su longevidad que reduce los costes de mantenimiento. El sistema tiene que ser capaz de detectar fallos de LED y actuar en consecuencia. Por lo tanto es importante ser capaz de controlar el sistema para fallos LED, así como para la corriente excesiva y la temperatura. Los microcontroladores de iluminación de Renesas integran periféricos dedicados para permitir los procedimientos de protección requeridos en el sistema. Muchos fabricantes también utilizan controladores LED multicanal para apoyar las señales de los semáforos y farolas con LEDs adicionales, si uno de los canales falla.

Algunos microcontroladores específicos de iluminación, como los de Renesas, integran periféricos dedicados de controlador LED para facilitar la integración y el ahorro de costes. Proporcionan una solución de chip única tanto para el control de etapa de potencia, como para controlar un número de canales LED sin involucrar a la CPU.

Autor: Alex Zaretsky, Renesas Electronics Europe.

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