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Universidad Católica de Cuenca Clusters 1 INTRODUCCIÓN El tema de Letreros luminosos es algo novedoso que está siendo impulsado dentro del ámbito de la publicidad principalmente, por considerarse una forma llamativa el hecho de ser móvil comparada con una publicidad que comúnmente se observa en vallas letreros entre otros. Se está utilizando también este tipo de letreros de forma informativa como en bancos, comercio, buses, etc; por su interacción en el campo visual Se debe considerar además que el consumo de energía es bajo por el hecho de estar ensamblados con tecnología led que son muy conocidos por su bajo consumo energético y una larga vida útil considerando que su tiempo de vida es diez años. El costo de este tipo de letreros variará dependiendo para que uso se lo vaya a utilizar de ello dependerá el tamaño de cada punto ya sea este de un solo led o como en el diseño se lo aprecia de un cluster que será un arreglo de siete leds ubicados de tal manera que se observa al estar apagado como un hexágono pero puesto en funcionamiento nos dará la impresión de verse como un circulo. La formación de un cluster está orientado para ser utilizado en letreros donde se requiere un gran tamaño de los caracteres o imágenes a proyectar. Los clusters están armados a su vez en matrices que por lo general son de 7x5 filas y columnas respectivamente, la ventaja es que se pueden ir sumando hasta obtener el tamaño deseado tanto en número de filas como en número de columnas; esta es una gran ventaja de manera que se pueda ofrecer a la persona interesada una solución de acuerdo a sus requerimientos y no limitándose a tamaños estandarizados si nuestra necesidad no es mayor o menor a las que ofrecer un estándar.
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INTRODUCCIÓN
El tema de Letreros luminosos es algo novedoso que está siendo
impulsado dentro del ámbito de la publicidad principalmente, por
considerarse una forma llamativa el hecho de ser móvil comparada
con una publicidad que comúnmente se observa en vallas letreros
entre otros. Se está utilizando también este tipo de letreros de forma
informativa como en bancos, comercio, buses, etc; por su
interacción en el campo visual
Se debe considerar además que el consumo de energía es bajo por el
hecho de estar ensamblados con tecnología led que son muy
conocidos por su bajo consumo energético y una larga vida útil
considerando que su tiempo de vida es diez años.
El costo de este tipo de letreros variará dependiendo para que uso se
lo vaya a utilizar de ello dependerá el tamaño de cada punto ya sea
este de un solo led o como en el diseño se lo aprecia de un cluster
que será un arreglo de siete leds ubicados de tal manera que se
observa al estar apagado como un hexágono pero puesto en
funcionamiento nos dará la impresión de verse como un circulo.
La formación de un cluster está orientado para ser utilizado en
letreros donde se requiere un gran tamaño de los caracteres o
imágenes a proyectar. Los clusters están armados a su vez en
matrices que por lo general son de 7x5 filas y columnas
respectivamente, la ventaja es que se pueden ir sumando hasta
obtener el tamaño deseado tanto en número de filas como en número
de columnas; esta es una gran ventaja de manera que se pueda
ofrecer a la persona interesada una solución de acuerdo a sus
requerimientos y no limitándose a tamaños estandarizados si nuestra
necesidad no es mayor o menor a las que ofrecer un estándar.
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Con este tipo de letreros se obtiene una mayor visualización desde
distancias mayores, por lo que no es necesario estar muy cercano al
letrero para poder recibir la información que en él se esté
proyectando obteniendo así mejores resultados para un mayor
número de personas.
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CAPÍTULO 1
DIODO LED
1.1 Diodo emisor de luz (Led)
Un diodo emisor de luz, también conocido como LED (acrónimo del
inglés de light-emitting diode) es un dispositivo semiconductor que
emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de
forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente
eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia.
El color, depende del material semiconductor empleado en la
construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando
por el visible, hasta el infrarrojo. Los diodos emisores de luz que
emiten luz ultravioleta también reciben el nombre de UV LED
(ultraviolet light-emitting diode) y los que emiten luz infrarroja se
llaman IRED (infrared emitting diode).
Fig1. Representación simbólica del diodo LED.
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1.2 Historia
El primer LED fue desarrollado en 1927 por Oleg Vladimirovich Losev,
sin embargo no se usó en la industria hasta la década de 1960. Solo
se podían construir de color rojo, verde y amarillo con poca
intensidad de luz y limitaba su utilización a mandos a distancia
(controles remotos) y electrodomésticos para marcar el encendido y
apagado. A finales del siglo XX se inventaron los LEDs ultravioletas y
azules, lo que dio paso al desarrollo del LED blanco, que es un diodo
LED de luz azul con recubrimiento de fósforo que produce una luz
amarilla, la mezcla del azul y el amarillo produce una luz blanquecina
denominada "luz de luna" consiguiendo alta luminosidad (7 lúmenes
unidad) con lo cual se ha ampliado su utilización en sistemas de
1.3 Funcionamiento físico
El funcionamiento físico consiste en que, en los materiales
semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la
de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar
en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y
una fase aleatoria. El que esa energía perdida cuando pasa un
electrón de la banda de conducción a la de valencia se manifieste
como un fotón desprendido o como otra forma de energía va a
depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando
un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la
zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia
la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente
que circula por el diodo.
La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en
todos los diodos y sólo es visible en diodos como los LEDs de luz
visible, que tienen una disposición constructiva especial con el
propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material
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circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con la
correspondiente al espectro visible.
Fig2. Diodo emisor de luz con la unión polarizada en sentido directo
1.4 Principio Físico
El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas,
por la cual, una tensión externa aplicada a una unión p-n polarizada
directamente, excita los electrones, de manera que son capaces de
atravesar la banda de energía que separa las dos regiones.
Si la energía es suficiente los electrones escapan del material en
forma de fotones.
Cada material semiconductor tiene unas determinadas características
que y por tanto una longitud de onda de la luz emitida.
1.5 Características de Led
1.5.1 Dimensiones y color del diodo
Actualmente los LED tienen diferentes tamaños, formas y colores.
Tenemos LED redondos, cuadrados, rectangulares, triangulares y con
diversas formas.
Los colores básicos son rojo, verde y azul, aunque podemos
encontrarlos naranjas, amarillos incluso hay un Led de luz blanca.
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Las dimensiones en los LED redondos son 3mm, 5mm, 10mm y uno
gigante de 20mm. Los de formas poliédricas suelen tener unas
dimensiones aproximadas de 5x5mm.
1.5.2 Consumo
El consumo depende mucho del tipo de LED que elijamos:
Color Luminosidad Consumo Longitud onda Diámetro
Rojo 1,25 mcd 10 mA 660 nm 3 y 5 mm
Verde, amarillo y
naranja
8 mcd 10 mA
3 y 5 mm
Rojo (alta luminosidad) 80 mcd 10 mA 625 nm 5 mm
Verde (alta
luminosidad)
50 mcd 10 mA 565 nm 5 mm
Hiper Rojo 3500 mcd 20 mA 660 nm 5 mm
Hiper Rojo 1600 mcd 20 mA 660 nm 5 mm
Hiper Verde 300 mcd 20 mA 565 nm 5 mm
Azul difuso 1 mcd 60º
470 5 mm
Rojo y verde 40 mcd 20 mA
10 mm
Tabla 1
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1.5.3 Compuestos empleados en la construcción de LED
En la siguiente tabla podemos observar los compuestos usados para
la construcción de los diferentes tipos de leds con lo cual
conseguimos colores diferentes que a su vez emiten ciertas
longitudes de onda.
Compuesto Color Long. de onda
Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940 nm
Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) Rojo e infrarrojo 890 nm
Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) Rojo, anaranjado y amarillo 630 nm
Fosfuro de galio (GaP) Verde 555 nm
Nitruro de galio (GaN) Verde 525 nm
Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul
Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul 450 nm
Carburo de silicio (SiC) Azul 480 nm
Diamante (C) Ultravioleta
Silicio (Si) En desarrollo
Tabla2.
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1.7 Conexión
Para conectar LEDs de modo que iluminen de forma continua, deben
estar polarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la
fuente de alimentación conectado al ánodo y el polo negativo
conectado al cátodo. Además, la fuente de alimentación debe
suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a su
tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que
circula por ellos no exceda los límites admisibles, lo que dañaría
irreversiblemente al LED.
Fig3a. Fig3b.
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CAPÍTULO 2
CLUSTERS
2.1 Definición de Clúster
Se le considera como clúster a la unión de varios led para la
formación de un solo punto o pixel con lo que se consigue un mayor
tamaño para el momento de la visualización.
2.2 Conexión de Leds para la formación de un Clúster
Para la formación de un clúster se ha considerado la conexión de
siete leds conectados en serie, del tipo 5013URC de 5mm que son
los de ultra brillo para obtener mejores resultados en cuanto a efecto
visual se refiere, ya que estos producen una mayor cantidad de luz y
con una ubicación correcta se pretende la formación de un clúster con
una forma hexagonal colocando los leds en tres filas; la primera fila
estará compuesta por dos leds, la siguiente será de tres leds
colocados alternadamente de los anteriores hasta la fila final que
tendrá dos leds obteniendo así la forma deseada.
Por la forma en que está diseñado el punto aparentemente tiene una
forma hexagonal pero al estar encendido los leds toma una forma
circular que nos permite una mejor visualización de lo que deseamos
proyectar sean estos caracteres o imágenes
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2.3 Diseño en Ares de un Clúster
Para el diseño del circuito impreso utilizaremos una herramienta
llamada Ares7 Professional, este software nos permite diseñar la
forma que tendrá nuestro circuito impreso.
Para realizar el diseño de nuestro circuito impreso abriremos el
programa antes mencionado y procederemos a guardar el
archivo.
Teniendo grabado el archivo observaremos la siguiente
pantalla.
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Ahora iremos hasta la herramienta Package Mode ubicada al
lado izquierdo de la pantalla
Aparecerá una ventana donde daremos click sobre la letra P
que nos servirá para obtener los elementos que vamos a
utilizar. En el Casillero Keywords colocaremos el nombre del
elemento en nuestro caso Led
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Luego de haber escogido el elemento procederemos a
seleccionarlo para luego ubicarlo en el área de diseño.
Está será la forma en la que se verá nuestro clúster en forma
de circuito impreso
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Para tener una idea más clara de la forma que irá tomando
tenemos una visualización en 3D
El diseño de las pistas que conectarán los leds entre sí las
diseñaremos eligiendo en la barra de herramientas de la parte
izquierda la herramienta TrackMode con un espesor de pista
T30.
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Obteniendo de esta manera el diseño de un Cluster
Vista en 3D del Clúster.
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Capítulo 3 Matriz
3.1 Definición de Matriz
Una matriz de LEDs consiste en un arreglo de LEDs que pueden ser
encendidos y apagados individualmente desde un microntrolador. Se podría
considerar como una pantalla pequeña donde se puede visualizar tanto
caracteres como números, de una forma estática como en movimiento.
Fig 4a Vista Frontal Fig 4b Vista posterior
Las Matrices más comunes que se encuentran en el mercado y que
son de fácil obtención son de 7x5 y las de 8x8 , considerando que
el primer dígito nos indica el número de filas y el siguiente el número
de columnas, es decir, para el caso de la matriz de 7x5 tenemos que
posee siete filas por ocho columnas.
Estás matrices nos sirven mucho cuando se tenga que ejecutar
proyectos como letreros pasa-mensajes o letreros informativos
estáticos entre otras aplicaciones donde la información que estos
proyecten será de una forma cercana a la visión de la persona.
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3.2 Conexión de Cluster para formación de la Matriz
En vista de la necesidad de un mayor tamaño de un letrero se diseña
una matriz en base a la unión de clusters ubicados de una forma
similar a cada uno de los puntos que conforman una matriz del tipo
comercial antes mencionada.
Se construirá una matriz de 7x5, siete filas por 5 columnas donde los
ánodos corresponderán a las columnas y los cátodos corresponderán
a las filas, obteniendo así una matriz de 7x5 en configuración de
ánodo común.
La matriz tendrá en total treinta y cinco cluster, considerando que
cada cluster está compuesto por siete leds para darnos un total de
dos cientos cuarenta y cinco leds que son los necesarios para la
construcción de la matriz con clusters.
3.3 Diseño en Ares de una Matriz
Luego del diseño que realizamos para un cluster procedemos a
efectuar los siguientes para la completar la matriz
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Se colocará posteriormente toda la primera fila a la distancia
indicada en el gráfico.
De igual manera colocamos los clusters para formar las
columnas.
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De esta manera se verá la matriz con los clusters colocados en
su respectiva posición.
Procederemos al ruteado, a la unión de los cátodos de cada fila
cuyos pines de alimentación se encontrarán en la parte inferior
de la matriz
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La unión de los ánodos de cada columna se los ubicará en la
parte superior de la matriz
Una vez terminado observaremos así la Matriz
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Se observa de una forma 3D la matriz
Vista Frontal
Vista posterior del Ruteado
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Por la cantidad de pistas necesarias se lo realizó en dos capas.
La primera capa o dentro del programa conocida como Bottom
Copper
La segunda capa o Top Copper
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Finalmente la impresión Top Silk que es lo que nos ayuda a
saber qué elemento, donde se coloca y su polaridad. Algo muy
importante en el momento del montaje de los elementos sobre
la placa.
3.4 Alimentación
Este circuito se alimenta conectándolo directamente a la
alimentación del tomacorriente 120 / 240 Voltios de corriente alterna
Se logra disminuir el voltaje de alimentación hasta un voltaje que
pueda utilizarse en un diodo led. Esto se logra con ayuda de un
capacitor y una resistencia para evitar posibles picos de corriente.
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Si la alimentación es de 110 / 120 Voltios, 60 Hertz
Con un capacitor cerámico el cual no cuenta con polaridad de 0.47 uF
se tiene una reactancia de 5.643 ohmios, que permitirá el paso de
21.3 mA (miliamperios) por los leds
Si la alimentación es de 220 / 240 Voltios, 50 Hertz
Con un capacitor de 0.22 uF cerámico se tiene una reactancia de
14.468 ohmios, que permitirá el paso de 16 mA (miliamperios) por
los leds
Con esto se logra obtener que por el circuito circule una corriente
aproximadamente de 20 mA que es la que soportan los leds de ultra
brillo que son los utilizados para nuestra matriz.
Las fórmulas que se utilizaron son:
Xc = 1 / (2 ∏ f C). Fórmula de la reactancia capacitiva
I = V / Xc. Ley de Ohm para la reactancia capacitiva
Donde:
∏ = 3.1416
f = frecuencia (50 o 60 Hertz)
C = valor del capacitor en faradios
V = voltaje
I = corriente
Xc = reactancia capacitiva
El efecto del resistor de 1 Kilohmio se desprecio pues la mayoría de la
caída de voltaje que se aplica al circuito se da en el capacitor.
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Capítulo 4 Letrero
4.1 Introducción
Los letreros electrónicos son un medio impactante y práctico para
comunicar información y mensajes de ventas. Entre sus múltiples
usos podemos destacar:
Promover productos e imagen empresarial.
Señalizar con dinamismo y practicidad.
Comunicar información en tiempo real.
Captar la atención del público hacia determinados sectores.
Hacer todo esto y al mismo tiempo decorar su empresa.
4.2 Resolución de la matriz
Se la expresa en cantidad de filas por cantidad de columnas. De la
matriz dependen la visibilidad del cartel, la calidad de su tipografía y
la cantidad de caracteres visibles.
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En el diseño se observa una matriz de 7x5 pero la ventaja de esta es
que se puede seguir ensamblando hasta obtener el tamaño necesario
para así transmitir una mejor imagen.
4.3 Diámetro de cada LED o Punto
Los puntos luminosos de estos carteles se forman con un componente
denominado LED. Normalmente cada punto se hace con un solo LED,
que generalmente es de 5 mm de diámetro. Pero para mejorar la
visibilidad se uso 7 LEDs por punto, por ello es necesario conocer
cuántos LEDs por punto se emplean y de qué diámetro.
4.4 Visibilidad
Llamamos visibilidad o alcance visual al rango de distancias desde
donde el cartel puede ser leído por una persona con vista normal.
Un cartel de LED se lee desde más lejos que uno convencional
impreso con la misma altura de letra, porque las letras son
luminosas. Si la matriz es buena, un letrero pasa-mensajes de 5 cm
de altura de letra se lee perfectamente desde 25 metros.
La visibilidad es un parámetro subjetivo, por lo que se debe comparar
los factores que hacen a la visibilidad y que ya fueron explicados. Es
decir, la resolución de la matriz, el diámetro de los puntos y la altura
de la letra.
Las tipografías de ancho expandido también mejoran la visibilidad.
4.5 Brillo
El brillo de los carteles pasa-mensajes se clasifica generalmente en:
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Brillo estándar: Se usan poco, en carteles de bajo costo tales
como los importados más económicos.
Alto brillo: Son los más empleados.
Híper/Super brillo: Se usan exclusivamente para carteles para
exteriores que tengan incidencia directa de la luz solar.
El brillo más adecuado dependerá de la intensidad de la luz que incida
sobre el letrero. Por ejemplo, si va a recibir luz solar directa durante
la mayor parte de la jornada, convendrá utilizar un letrero de
super/híper brillo, los cuales se especifican como aptos para tal
aplicación.
Un brillo excesivo hace incómoda la lectura, así que para estudiar la
necesidad de un cartel para sol directo hay que analizar la proporción
del tiempo que vaya a estar recibiendo sol directo sobre el total.
Además, los LEDs de mucho brillo generalmente concentran la luz,
empeorando así un parámetro importante que hace a la visibilidad del
letrero, llamado ángulo de visualización. Por lo tanto, carteles con
mayor brillo que el necesario no son convenientes.
4.6 Angulo de Visualización
Este parámetro nos indica que tan "de lado" podemos colocarnos sin
dejar de poder leer el cartel. En algunos modelos es muy amplio,
mientras que en otros necesitamos estar parados prácticamente de
frente para poder leerlos.
A mayor ángulo de visualización, mayor área de captación. Por
ejemplo, el área de cobertura de un cartel con ángulo de visualización
de 60º es de solo un tercio de la de uno con ángulo de 180º. Eso
quiere decir que el segundo transmite mensajes a tres veces más
público.
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4.7 Cantidad de Caracteres
La máxima cantidad de caracteres que puede mostrar un letrero
luminoso en un mismo instante nos da pautas sobre que tan
destacados serán los mensajes en movimiento y qué tanto se van a
poder aprovechar los efectos de texto fijo.
Esta cantidad depende fundamentalmente de cuántas columnas tenga
la matriz. Es otro ejemplo de la importancia de la resolución de la
matriz, por eso decíamos que éste es el parámetro más importante.
4.8 Memoria
Muchas aplicaciones requieren carteles con memorias que conserven
su contenido aunque estén apagados. Esto se solía implementar con
pilas recargables, que estaban soldadas dentro del cartel. El problema
con esas pilas es que su vida útil es corta (3 a 5 años). Entonces, los
carteles requieren mantenimiento a los pocos años de uso. En la
actualidad se ha optado por utilizar tecnología EEPROM para
prescindir de pilas, disminuyendo así radicalmente el tiempo entre
mantenimientos.
4.9 Diseño del Gabinete
La estética de un cartel es importante, porque están hechos para que
la gente los mire. Un buen diseño del gabinete realza la decoración y
mejora la imagen empresarial transmitida.
Además, un gabinete metálico es más sólido y durable que uno
plástico, y protege las partes electrónicas contra descargas
electrostáticas y ruido eléctrico.
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Conclusiones.
Con la ejecución de este proyecto se puede ver que es posible la
creación de productos nuevos e innovaciones en productos existentes
en base a los conocimientos adquiridos que son complementados con
la investigación y la experimentación.
En este y todos los proyectos se tiene inconvenientes que por su
puesto pueden ser superados. Particularmente para este caso el
mayor problema fue la colocación adecuada de los leds para obtener
el resultado esperado que fue la de simular un punto para obtener los
mismos resultados que con una matriz comercial pero en un mayor
tamaño para aumentar la visualización desde distancias mayores.
Habiendo solucionado la ubicación correcta de los leds el siguiente
paso es la conexión entre los leds que debía ser en serie o en
paralelo, habiendo optado por la conexión en serie que es la que nos
brindó un mejor resultado al poder dividir la tensión entre todos los
leds que conforman un cluster y manteniendo una corriente adecuada
para lo cual están diseñados los leds de ultra brillo.
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RECOMENDACIONES
Es importante tener en cuenta la fuente de alimentación que
no exceda al valor de corriente para la intensidad luminosa que
necesitamos 20mA requeridos por los leds de alta luminosidad
un valor superior puede inhabilitar el LED o reducir de manera
considerable su tiempo de vida.
Hay también técnicas para aumentar la cantidad de caracteres,
tales como las tipografías de ancho variable, en las cuales por
ejemplo una "i" ocupa menos que una "m". Estas, además de
maximizar la cantidad de caracteres, le dan un aspecto más
elegante al texto.
Hacer una elección correcta en el momento de cotizar o
comprar un letrero electrónico considerando para el uso que se
vaya a dar y donde va a ser colocado.
Escoger el letrero con Clusters para ser utilizados en letreros de
gran tamaño y que posean leds de alta luminosidad.
Es importante el ángulo de visión que estos ofrecen por lo que
se recomienda el que posee un ángulo igual o mayor a 60º.
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BIBLIOGRAFÍA
Enciclopedia Libre Universal www.enciclopedia.us.es
http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_emisor_de_luz"
Diodo led www.unicrom.com.ar
Diodo LED www. Monografias.com
Indicart Carteles www.indicart.com.ar
Libro de Microcontroladores PIC autor Carlos A. Reyes
Programas
Ares Profesional7
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ANEXOS
Impresión Capa 1 (Botton Copper)
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Impresión Capa2 (Top Copper)
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