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Requisitos para los LED driver en eventos deportivos para la repetición a cámara lenta

Prefacio

Los Juegos Olímpicos de Río de Janeiro en Brasil han terminado en el verano del 2016. Cada país tenía a sus propios corresponsales para presentar el evento para los que no tuvieron la suerte de poder verlo en vivo y lo han visto en televisión. Una los puntos que permite ofrecer programas de calidad son las repeticiones a cámara lenta. Las repeticiones a cámara lenta permiten dar detalle de los movimientos de los atletas y a veces permiten a los jueces tomar una decisión correcta, por ejemplo cuando varios corredores llegan a la meta muy igualados. La velocidad del video convencional es de 24 fps (fotogramas por segundo) para el sistema NTSC y de 25 fps para el sistema PAL/SECAM. En las olimpiadas de Beijing en 2008 la repetición a cámara lenta era con 70 fotogramas por segundo, en las olimpiadas de Londres fue de 300 fps y en los Juegos Olímpicos de Río han sido de hasta 1500 fps con las repeticiones a súper cámara lenta. Para conseguir una buena calidad en las repeticiones a cámara lenta cada fotograma debe tener la misma cantidad de luz para evitar efectos visuales incómodos o incluso que en los fotogramas críticos la imagen no tenga una buena nitidez debido a una mala iluminación.

Cuando los fotogramas no tienen una cantidad de luz homogénea se conoce como parpadeo o efecto flicker. Por tanto es necesario tener una luz homogénea para las repeticiones a cámara lenta. Tanto la asociación Olímpica como la UEFA y diferentes asociaciones de eventos deportivos profesionales, como la Asociación Africana de Futbol, han definido los requisitos del parpadeo para los eventos deportivos. Como los LED drivers son los principales responsables de este efecto en este artículo se explica la influencia del factor de parpadeo en la las repeticiones de cámara lenta y explica como los LED Drivers de MEAN WELL pueden cubrir estas necesidades.

Corriente de rizado y factor de parpadeo

Los sistemas de iluminación tradicionales de los estadios utilizan luces de halogenuros metálicos (HID) que es un sistema que tiene un gran consumo energético y es poco eficiente. Cada vez más estadios están reemplazando los sistemas de iluminación HID por sistemas de iluminación LED. Los sistemas de iluminación LED no sólo ofrecen una gran ahorro energético sino que también permiten una mayor regulación de la luz, ofrecen una mejor distribución y homogeneidad de la misma, mejor reproducción de los colores (CRI>80), menos dispersión de la luz a zonas que no necesitan iluminación, el tiempo de encendido es prácticamente inmediato, por lo que no hay que esperar o calentar las lámparas antes de empezar o en los intermedios, mayor tiempo de vida y duración y un mínimo o bajo parpadeo para la reproducción en televisión y a cámara lenta. También podemos tener sistemas inteligentes que nos permiten por ejemplo iluminar solo la portería en un penalti o como en el estadio del Manchester United hacer un juego de luces en los intermedios dando mayor espectáculo al evento.

El principio físico de los sistemas LED es convertir la energía eléctrica proporcionada por los LED Drivers e luz. Si hay una variación en la energía eléctrica esta puede resultar en una variación en la luz de salida. Como la tensión de alimentación de los LED Drivers es en corriente alterna y esta varía de forma senoidal 50 ó 60 veces por segundo siempre tendremos una variación también en la energía de salida del driver y por tanto en la luz que proporcionan los LEDs. Las variaciones de luz pueden hacer que cada fotograma en las reproducciones a cámara lenta tenga una luz diferente. Por tanto los LED drivers son los principales responsables del efecto de parpadeo en un sistema de iluminación LED. La corriente de salida ideal de un LED driver debería ser lineal y estable en el tiempo. La corriente real de salida varía de forma repetitiva en el tiempo y esta variación se conoce como corriente de rizado cuya fórmula está explicada en la figura 1. El factor de parpadeo o flicker factor representa un parámetro que expresa de forma porcentual la variación de la luz en un sistema de iluminación artificial. El diseñador de un sistema de iluminación puede tomar la corriente de rizado como una forma rápida para evaluar el factor de parpadeo de luz que será muy similar a la corriente de rizado, aunque ligeramente mejor.

Como hemos comentado en el sistema NTSC la velocidad normal es de 24 fotogramas por segundo y en el sistema PAL/SECOM de 25 fotogramas por segundo. La frecuencia de la corriente de rizado de salida depende de la frecuencia de la tensión de alimentación alterna que tenemos. En Europa es de 50Hz y esta corriente alterna cuando se rectifica nos da el doble, es decir una frecuencia de rizado de 100Hz y de 120Hz en los países que trabajan con una red eléctrica de 60Hz. Con la velocidad de producción normal de la televisión esto no suele representar un gran problema, primero se pueden intentar sincronizar las frecuencias de los fotogramas con los de la luz y en segundo lugar aunque exista en algún fotograma una diferencia de luz al pasar tan rápidos normalmente no los percibimos. Cuando incrementamos los fotogramas capturados en la cámara lenta y además luego los reproducimos lentamente este efecto si se va a notar. Primero porque tendremos realmente fotogramas con diferente cantidad de iluminación y segundo porque estos están en nuestra pantalla más tiempo. Esto nos puede dar un efecto de flashes o luz estroboscópica como se puede apreciar en la Figura 2. También las cámaras tienen un problema al capturar tantos fotogramas con diferentes niveles de luz porque la velocidad de obturación o tiempo de exposición tiene que adaptarse al nivel de luminosidad y no puede hacerlo a velocidades tan rápidas. Para corregir estas diferencias en el nivel de luz de los fotogramas podemos recurrir a diferentes soluciones tanto de hardware como de software. A nivel de software se puede hacer un tratamiento de las imágenes posterior a la captura para intentar igualar los niveles de luz, esto puede atenuar el efecto de parpadeo pero requiere normalmente ajustes manuales y el resultado final no será perfecto. Esto no es práctico en muchos casos en los que necesitamos ver la repetición justo después de la acción. La otra solución pasar por reducir la corriente de rizado y el propio efecto de la iluminación. Esto nos da un resultado en el mismo momento de la captura de las imágenes y una iluminación más real.

Requisitos de los estadios para las repeticiones a cámara lenta

Como hemos comentado los requisitos de fotogramas por segundo para la cámara lenta han ido aumentando en los últimos años desde 150 fps hasta los actuales 1000 o 1500 fps de las olimpiadas de Río. A medida que evoluciona la capacidad de las cámaras de video los requisitos de iluminación también crecen para poder aprovechar esta mayor cantidad de imágenes. Por ejemplo en las finales de carrara para decidir el ganador se exigen 1000 fps. Esto se conoce como repetición a cámara ultra-lenta. En la siguiente tabla se muestras el efecto del porcentaje de parpadeo en las repeticiones a cámara lenta. La EUFA ha definido los niveles máximos de parpadeo en los campos de fútbol que usan repetición de cámara lenta de 300 fps.

La Corriente de Rizado de los LED Drivers

La corriente de rizado es un dato que podemos encontrar en los LED Drivers de corriente constante. Por ejemplo el modelo de MEAN WELL HLG-320H-C tiene una corriente de rizado máxima del 5% según nuestras especificaciones. No obstante en las pruebas pasadas en fabricación y diseño a la derecha vemos que los valores reales medidos indican una corriente de rizado del 1,14%. Esta información se puede encontrar en nuestra página web. En este caso con una corriente de rizado inferior del 1,14% podemos cumplir sin ningún problema las exigencias de la UEFA para los partidos de máximo nivel donde se pide un factor de parpadeo inferior al 5% (ya comentamos que el factor de parpadeo será ligeramente inferior a la corriente de rizado)

En los modelos de LED Drivers que dan la salida en corriente constante se suele indicar el valor de la corriente de rizado pero en los modelos que funcionan en modo tensión constante y en ambos modos a la vez (tensión constante y corriente constante) normalmente se especifica el rizado en milivoltios pico a pico y no la corriente de rizado. En estos casos podemos calcular la corriente de rizado con una simple fórmula matemática o midiendo con una sonda de osciloscopio la corriente de salida con unos condensadores de 0,1mF y 47mF para eliminar el ruido ambiente.

Formas de reducir el factor de parpadeo

En las aplicaciones que requieren un nivel de parpadeo muy pequeño para repeticiones a cámara ultra-lenta de 1000 fotogramas por segundo e incluso de 2500 fps podemos usar la alimentación de diferentes luminarias con distintas fases de la alimentación trifásica. Como hemos comentado anteriormente la corriente de rizado y por tanto el factor de parpadeo vienen dados por la fluctuación de la tensión monofásica de 230Vca. Esta ondula 50 veces por segundo en Europa pasando de su valor máximo al mínimo y pasando por cero y esta tensión es rectificada haciendo que tengamos el doble de variaciones en la corriente de rizado de salida. Esto se ve reflejado en mayor o menor medida en la corriente de rizado de salida del LED driver. Dependiendo del diseño del LED driver este efecto será mayor o menor. En muchos casos la tendencia a producir sistema de iluminación baratos hacen que se usen diseños en los LED drivers más económicos como los diseños con corrección del factor de potencia en una etapa donde este efecto es mucho más notable que en otros diseños de led drivers. No obstante si queremos reducir más la corriente de rizado podemos hacerlo alimentando cada luminaria con un fase distinta de un sistema trifásicos. En los sistemas trifásicos tenemos 3 fases que están desplazadas 120 grados entre ellas. Si alimentamos cada LED driver de una distinta conseguimos que las corrientes de rizado se solapen reduciendo de forma significativa el factor de parpadeo como se ilustra en la siguiente imagen.

Conclusión

La reproducción a cámara lenta depende de la luz artificial que usemos. El LED driver es el componente más importante para reducir este efecto en un sistema de iluminación LED. MEAN WELL pueden ofrecer una amplia gama de productos adaptados a aplicaciones de altas prestaciones y soporte técnico para ayudarle a diseñar un sistema de iluminación adecuado para la c



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