en Espeleología

Sistema de iluminación para cuevas mediante diodos LED blancos

Luz de carburo
Luz de carburo

La luz de carburo en las cuevas parece irreemplazable, debido a su calidez, su iluminación panorámica, su economía y su robustez. La luz eléctrica, de uso tradicional entre los espeleólogos anglosajones, nunca ha sido bien aceptada en Europa continental. En todo caso, ha sido siempre un dispositivo secundario, de auxilio. Su haz concentrado y frío, su consumo de electricidad, la escasa duración y el precio de las baterías, entre otros, son inconvenientes muy serios para el espeleólogo. A ello debe unirse la relativa fragilidad de las bombillas y la amenaza que la humedad de las cuevas supone para cualquier sistema eléctrico o electrónico que no esté perfectamente sellado.

En los últimos tiempos, gracias a la generalización y abaratamiento de un nuevo dispositivo, el diodo luminoso —o «LED»— blanco, las cosas han cambiado de forma radical. Entre sus ventajas se encuentran una sorprendente intensidad lumínica, a expensas de un consumo de corriente moderado, una longevidad notable y una gran robustez, debido a su ligereza y pequeño tamaño. Una de sus características más interesantes es que, si se les suministra una alimentación en corriente constante, la intensidad luminosa no decrece, aunque el voltaje descienda a niveles relativamente bajos. Otra es que, mediante la agrupación de un cierto número de LED, puede obtenerse un haz luminoso de gran alcance e intensidad. (Nota: hay diferentes tipos de LED blancos. Los utilizados en este montaje, de 16.000 milicandelas, eran los más potentes del mercado en el momento de realizar el proyecto —año 2003—. Ahora es posible encontrarlos de 20.000 mcd, a un precio muy económico, en Elektron).

El carburo parece tener sus días contados, y buena prueba de ello es que en países como Francia ha dejado de fabricarse recientemente y sólo es posible adquirir los restos almacenados en ciertos comercios. En nuestro país las cosas no han llegado a ese extremo, pero, inevitablemente, acabarán llegando. La luz del futuro explorador subterráneo no será, como en el pasado, la de la llama de acetileno.

Conscientes de todo ello, espeleólogos de todo el mundo —norteamericanos, sobre todo, en un principio— han llevado a cabo montajes experimentales, más o menos complicados. Por otro lado, ya existen algunos sistemas distribuidos comercialmente, bien en forma de accesorios para lámparas eléctricas convencionales (Petzl), o bien como conjuntos de iluminación expresamente diseñados para las cuevas. Por el momento su precio es prohibitivo, aunque, a medida que se generalice su empleo, es indudable que se harán más asequibles. Mientras eso llega, voy a proponeros nuestra solución de 2003, que dio un formidable juego durante algo más de cinco años.

Frontal Petzl modificado, con 24 LED blancos
Frontal Petzl modificado, con 24 LED blancos

+ + + + + + + + + +

El circuito escogido

De entre las propuestas experimentales que pueden encontrarse en la bibliografía espeleológica reciente y, sobre todo, en Internet, he retenido una, por su sencillez y su más que satisfactorio rendimiento. Se trata de una adaptación del esquema original de Brian Pease, publicado en la red. No he sido el primero, ya que espeleólogos portugueses, basándose en ese mismo esquema, han realizado su propia versión de la luz subterránea, adaptándolo a un frontal Petzl Duo.

Antes de continuar debo hacer una advertencia: el montaje propuesto no es perfectamente estanco, por culpa del potenciómetro y el interruptor. Habrá que evitar utilizarlo en ambientes excesivamente húmedos. Seguro que algún lector avezado logrará insertar una junta tórica en el eje del potenciómetro y eliminará el interruptor, que no es indispensable, para así poder lograr una mejor resistencia al agua.

Circuito electrónico
Circuito electrónico

El circuito, concebido para controlar un conjunto de 24 LED, consta de un transistor de tipo MOS-FET, que actúa como «puerta lógica», otro transistor convencional, un par de diodos y varias resistencias. Puede ser montado sin base de soporte, en el interior de la linterna escogida, procurando evitar cortocircuitos entre los diferentes componentes y teniendo especial cuidado al manipular el transistor MOS-FET, que puede ser destruido fácilmente por culpa de la electricidad estática.

Pero lo ideal, lo más compacto y lo técnicamente correcto, consiste en montar los componentes —incluidos los 24 LED— sobre un circuito impreso diseñado al efecto. Quien no pueda construir dicho circuito puede optar por una placa de montaje universal, de venta en todas las tiendas de electrónica; se trata de un circuito impreso formado por líneas paralelas, con taladros a distancia fija, que habrá que adaptar al diseño propuesto.

El circuito impreso
El circuito impreso

+ + + + + + + + + +

Componentes electrónicos

Resistencias
R1    15K ohm 1/8W 5%
R2    10K ohm lineal (potenciómetro miniatura con eje de 3 mm ∅, tipo Spectrol)
R3    33K ohm 1/8W 5%
R4    0,27 ohm 4W 5%
R5    47K ohm 1/8W 5%
R6    1M ohm 1/8W 5%

Transistores
Q1    2N2222A
Q2    IRLZ24N / IRLZ44N / NTE2987 (cualquiera de los tres)

Diodos
D1 y D2    1N914
24 LED blancos a 3,6 V de 20.000 mcd

Varios
Interruptor miniatura estanco
Cable rojo y negro de 0,75 mm ∅
Cable de 0,25 mm ∅
Macarrón termo-retráctil de 3 mm ∅

+ + + + + + + + + +

Mecanización

Como base de montaje se ha escogido la linterna Duo, que forma parte del frontal espeleológico Petzl Explorer. (Nota: en algunos comercios es posible encontrar dicha linterna separada, denominada  «Duo Fixo»). Antes que nada hay que prescindir del doble reflector parabólico original —cada LED tiene su propio reflector diminuto incorporado, lo cual da lugar a un considerable ahorro de espacio—. A continuación, es necesario extraer de su interior la carcasa de plástico negro que soporta las bombillas, así como las lengüetas metálicas y el propio cable (cortaremos dicho cable en las proximidades del frontal, y conservaremos el resto, tal como viene desde la caja de pilas, sin desconectarlo de ella).

Mecanizado de la caja Petzl original
Mecanizado de la caja Petzl original

Una vez desprovista de su contenido, la caja amarilla deberá alojar el potenciómetro y el interruptor en su fondo, de modo que el siguiente paso consiste en eliminar los tabiques y resaltes de plástico existentes, con ayuda de una herramienta giratoria tipo Dremel, provista de la muela adecuada. Los dos botones grises originales, destinados a encender / apagar y a variar la distancia focal de la bombilla halógena, respectivamente, deberán ser extraídos. Al final, habremos dejado la caja completamente vacía.

Mecanizado final y montaje de potenciómetro e interruptor
Mecanizado final y montaje de potenciómetro e interruptor

(Notas: 1 – No es necesario eliminar las molduras interiores en su totalidad, sino solamente aquellas que pudieran dificultar la instalación del potenciómetro y el interruptor. 2 – ¡Mucho cuidado con la muela Dremel! Un empleo excesivo puede adelgazar peligrosamente la pared de la caja de plástico e incluso perforarla. 3 – Conviene utilizar una máscara y gafas protectoras durante el proceso, ya que se produce gran cantidad de partículas de plástico. Una buena solución es tener cerca la tobera de un aspirador doméstico, de manera que todos los residuos sean absorbidos al tiempo que se producen).

+ + +

El siguiente paso es la fijación del potenciómetro y el interruptor estanco. Para evitar la entrada de agua, hemos cortado varias arandelas de foam blando de células cerradas, del mismo diámetro que la abertura destinada al botón de mando del potenciómetro, y una lámina circular de látex o goma de cámara de bici. El conjunto queda aprisionado entre dicho botón y el cuerpo del potenciómetro y, debido a su textura, se ajusta sin fisuras a la abertura practicada. ¡Atención!: esto sólo evita la entrada de humedad a gran escala, pero no constituye un cierre estanco.

(Notas: 1 – El interruptor no es del todo necesario, ya que durante el transporte, o cuando no se utilice la luz, pueden extraerse las pilas, para evitar encendidos involuntarios. En todo caso, es posible encontrar interruptores estancos miniatura o tuercas con funda estanca. 2 – El potenciómetro utilizado es un Spectrol miniatura, con eje de 3 mm. Después de mucho buscar es el único que podía adaptarse a la frontal elegida).

+ + +

Para fijarlos al fondo y a la pared de la caja, respectivamente, se ha utilizado adhesivo epóxico rápido (Araldit), después de haber limpiado cuidadosamente las superficies con alcohol isopropílico (es aconsejable utilizar guantes). El fraguado completo del adhesivo tiene lugar a las 24 horas, aunque en unos minutos el conjunto habrá quedado sujeto. Es bueno ayudar al curado del adhesivo mediante la aplicación de calor moderado (por ejemplo, colocando la caja, debidamente aislada,  sobre un radiador de calefacción).

+ + + + + + + + + +

El circuito impreso

El diseño del mismo aparece en la figura adjunta, que es posible reproducir de esta página y trasladar  —a la escala adecuada— a una placa virgen foto-sensibilizada, de venta en tiendas de electrónica.

Diseño del circuito impreso
Diseño del circuito impreso

Nota: para más información acerca del proceso, consúltese esta dirección, esta otra o esta otra.

Conviene agrupar varios diseños en una sola placa de mayor tamaño, a fin de poder fabricar unas cuantas de un golpe para varios miembros de un club, por ejemplo. (¡Atención a la escala del dibujo! El diseño original corresponde exactamente a las dimensiones de los componentes).
La placa terminada y lavada con agua y jabón deberá cortarse y, con ayuda de lima y papel de lija, conformarse al tamaño y forma de la linterna Duo, utilizando como plantilla la línea que sirve de borde al circuito.

cara de componentes
Reverso del circuito impreso: cara de componentes

Una vez a punto la placa de circuito impreso, hay que taladrar los pequeños orificios destinados a las patillas de los componentes electrónicos. Siendo puristas, lo ideal sería escoger el diámetro adecuado a cada componente (por ejemplo, 0,6 mm ∅ para resistencias, diodos y transistor 2N2222A; 0,8 mm ∅ para LED y transistor MOS-FET; 1 mm ∅ para la resistencia de 0,27 ohmios y los terminales de los cables de alimentación…). Pero en el mundo real, será más fácil realizar todos los taladros con una misma broca, de 0,8 mm ∅, cuidando, eso sí, de no destruir las trazas de cobre más finas al realizar los orificios.

Cuando la parte mecánica haya concluido y estemos seguros de que la placa se ajusta a la perfección al interior de la caja de la linterna, podremos pasar a la siguiente fase: la soldadura. Lo mejor es utilizar un soldador de temperatura controlada y punta fina, tipo «lápiz», y estaño de buena calidad. Es necesario que no se produzcan descargas de electricidad estática durante el proceso, las cuales pudieran destruir el transistor MOS-FET. Para ello, lo mejor es utilizar una pulsera anti-estática, como las empleadas para instalar las ampliaciones de RAM en los ordenadores. A falta de ella, podemos improvisar un equivalente rodeando la muñeca con un cable desnudo, cuyo extremo puede engancharse a un radiador de calefacción central o una tubería de agua.

Es aconsejable, aunque no imprescindible, dotar al transistor MOS-FET de un ligero radiador, a fin de que disipe el escaso calor que se produce durante el funcionamiento del frontal. Para ello basta con disponer una chapita de aluminio bajo él, cuidando que no provoque cortocircuitos.

+ + + + + + + + + +

Ensamblaje final

Para concluir nuestro proyecto, debemos conectar potenciómetro e interruptor al circuito impreso, fijar el mismo a la caja y, finalmente, anclar el conjunto al casco y unir los cables del frontal al cable original que procede de la caja de pilas. Los cables utilizados para el potenciómetro pueden ser delgados (0,25 mm ∅). Para la alimentación —positivo (a través del interruptor) y negativo— utilizaremos cables de 0,75 mm ∅, preferiblemente rojo (+) y negro (-), para evitar errores. Es aconsejable proteger las soldaduras con funda termo-retráctil.

Ensamblaje final
Ensamblaje final

La placa se fija al interior de la caja, próxima al borde, con el fin de que los LED queden lo más cerca posible de la tapa transparente. Cuatro gotitas de adhesivo epóxico sirven para afianzarla. El orificio de salida de los cables de alimentación debe sellarse con silicona.

El frontal terminado
El frontal terminado

Antes de conectar dichos cables de alimentación, es necesario comprobar la polaridad de los dos hilos interiores del cable original de Petzl —cable que, dicho sea de paso, es de escasa calidad, y suele presentar una capa de óxido sobre los dos conductores de cobre—. En los modelos más antiguos el azul suele corresponder al positivo y el marrón al negativo, pero en los modelos recientes sucede todo lo contrario. Después de retirar el óxido con una lija muy fina, procurando no debilitar en exceso el conductor, realizaremos las soldaduras y las protegeremos con macarrón termo-retráctil.

Y ¡listo! Ya tenemos nuestra luz LED preparada para la siguiente exploración.

+ + + + + + + + + +

Resultados

La luz puede funcionar con cuatro pilas alcalinas de 1,5 V, o cuatro acumuladores recargables NiMH de 1,2 V. Nuestra experiencia con éstos últimos, disponibles en capacidades de hasta 2700 mA/h, ha sido muy satisfactoria. Regulando el potenciómetro ligeramente por debajo del ajuste máximo hemos conseguido ocho horas de luz, a condición de reducir la intensidad en las paradas. (Siempre hay que llevar un par de juegos de repuesto, como mínimo).

El frontal en acción
El frontal en acción

¿Cómo es la nueva luz? El primer adjetivo que viene a la mente es «sorprendente». Se trata de una luz blanca, intensa, y relativamente concentrada en un círculo frente a nosotros. Tiene un alcance extraordinario. A su alrededor, además, se produce un halo de luz mucho más suave, que resulta útil para la progresión subterránea. Si la carcasa de la frontal fuera transparente, a excepción de la parte situada directamente sobre nuestros ojos, tendríamos una luz ambiente. No sería comparable, claro está, a la iluminación periférica del acetileno, pero sí sería mucho más amplia que la de una linterna convencional.

En fin, como quiera que el carburo tiene sus días contados, y habida cuenta que la ligereza de este sistema es incomparable, bien vale la pena probarlo y sacar las propias conclusiones, sobre todo si tenemos en cuenta que el montaje propuesto es bastante más económico que lo que podemos encontrar en el mercado. Nosotros hemos abandonado la iluminación tradicional de acetileno hace muchos años, con las ventajas que ello representa —aligeramiento del equipo, limpieza, ausencia de residuos que hay llevar de vuelta para depositar en los contenedores de basura…— pero sin perder de vista los inconvenientes (el nuevo sistema es frágil, comparado con el carburo; hay que llevar más de un juego de pilas encima; la solución propuesta no es estanca).

Muy importante: debido a la intensidad de la luz producida por los LED, hay que tener un cuidado extremo para no apuntar con ella directamente a los ojos de nuestros compañeros, ya que pudieran producirse daños en su retina.

(Este artículo reproduce y actualiza el publicado en el número 24 de la revista Subterránea, editada por la Federación Española de Espeleología).

19 Comentarios

  1. Me ha parecido muy interesante tu artículo sobre los LED’s. Llevo tiempo queriendo hacer una sutitución de la parte eléctrica con bombilla incasdenceste por otra con LED y voy a seguir tus indicaciones. Gracias. Manolo

  2. está genial, a falta de probarlo personalmente (por lo de comparar in situ con el carburo). lo que echo en falta es algún tipo de luz alternativa, de emergencia, por si fallara la principal (ya sé que los led´s… pero un golpe…).
    sin embargo, a mí me había llegado a gustar el olor del carburo. qué pena, penita…

  3. Gracias a los dos por vuestros comentarios.
    Antes que nada, debo aclarar que hay sistemas comerciales dotados de LED ultrapotentes de última generación (Luxeon® de 1W y 3W), bastante eficaces aunque, por ahora, muy caros.
    Lo que presento aquí es una solución real, probada y satisfactoria. Yo no echo de menos para nada el carburo; es más, estoy encantado de haber prescindido de él hace ya cinco años.
    En cuanto a la luz de emergencia, ciertamente es sensato llevar una. En nuestro caso utilizamos un pequeño frontal ultraligero Black Diamond Ion de 2 LED, que viaja en el bolsillo del mono, protegido. El último modelo del Ion lleva un solo LED, pero no lo he tenido en mis manos. Podéis verlo en: http://www.bdel.com/gear/ion.php
    Gracias de nuevo y saludos,
    Carlos

  4. Soy estudiante de mantenimiento electronico e instrumental industrial del SENA(CBI).La motivacion costante por el desarrollo de nuevas tecnologias estan siempre a la vanguardia,y son estos diseños los que nos llevan a estar siempre pendientes de los nuevos cambios tecnologicos que mejoran en muchos aspectos nuestros sitios de trabajo,mi comentario era para felicitar por tan excelente documental,me parece interesante este nuevo sistema de iluminacion mediante diodos led blancos

  5. Hola Carlos. son muchos años en la espeleo (casi 40) y la verdad el carburo es el carburo, pero los nuevos sistemas de iluminación electrica hay que tenerlos en cuenta por supuesto. Felicitarte por este articulo lo primero, lo segundo es que mi curiosidad por experimentar me lleva a hacerte una consulta. ¿el circuito impreso que expones se puede conseguir en algún sitio o hay que hacerlo casero?.
    Gracias.

  6. Buenos días Gene:

    También llevo muchos años haciendo espeleología (36) y, créeme, el carburo es historia. Es cierto que su luz cálida y periférica es difícil de reemplazar, pero hay nuevos sistemas eléctricos mediante LED, como el SCURION, que proporcionan mucho mejor iluminación. Son más limpios y respetuosos con el medio ambiente.

    El circuito impreso hay que hacerlo de forma artesanal, a partir del diseño propuesto. En los enlaces incluidos en el artículo tienes instrucciones detalladas de cómo llevarlo a cabo.

    Saludos cordiales y sigue en la brecha,

    Carlos

  7. hola
    dejeme felicitarlos por tan buen trabajo de innovacion sabes he estado buscando una forma de hacer una especie de lampara con diodos led que funcionen a 110 o 120 voltios pero no se cuanta cantidad de leds necesito ni los componentes con que hacerlo gracias de antemano por su buen aporte espero noticias ………..

  8. Buenos días Víctor:

    Existen numerosas soluciones comerciales para poder iluminar mediante LEDs a 100 / 220 V. Te sugiero que dirijas tu consulta a un buen especialista: ELEKTRON, o mires alguna lámpara como las que se anuncian aquí.
    Saludos cordiales,

    Carlos

  9. Hola Carlos.
    Echale un vistazo a los nuevos sitemas de iluminación de Led LEnser sobre todo el H7R es sorprendente y para fotografia el X21, estos alemanes han hecho unbuen trabajo con unas reduccione sminima para espeleoo, lo unico en contra es que no son sumergible spero todo nos epued epedir. El enlace lo tienes en http://www.cuevasdemurcia.com enlaces.
    Un saludo
    Andres Ros
    Cartagena

  10. Buenos días Andrés, y gracias por el comentario:

    ¡Celebro tener noticias tuyas!

    El montaje propuesto data de 2003, cuando definitivamente nos cambiamos a la iluminación LED.

    Hace ya meses compré varias linternas LED Lenser (P14, P5, H7), que se distribuyen en Madrid (El Corte Inglés…). Son, como dices, una maravilla. (Mira el primer enlace de este artículo). Las he utilizado, también, para fotografía.

    Ahora estamos utilizando en cuevas los formidables Scurion P7. No hay comentarios…

    Abrazos y hasta pronto,

    Carlos

  11. Soy nuevo en electrónica y no interpreto mucho los dibujos de circuitos , quiero hacer esta linterna pero resulta que en los dibujos no veo la conección del potenciómetro lineal de 10 k ( R2 ) , en el mismo no figura la conección , si me pueden decir se los agradeceré , un abrazo .

    Eduardo
    La Plata , Argentina

    • Para Edú (La Plata, Argentina):

      Buenos días Edú. Los dos terminales extremos del potenciómetro se conectan, respectivamente, uno al extremo libre de la resistencia R1 y el otro a la masa o negativo del circuito. El terminal central a la patilla del emisor del transistor Q1.
      Saludos cordiales,
      Carlos

  12. Me gustaría hacer un montaje como el que describes, pero me gustaria ampliar la cantidad de leds a 37. ¿Que calculos deberia tener en cuenta?¿Tendria que modificar el valor de algun componente? Muchas gracias.

  13. Buenos días Ricard:

    El sistema está diseñado para 24 LED. No me atrevería a aumentar el número. Si quieres tener más potencia de luz (hasta 1.000 lúmenes), ahora puedes comprar la LedLampe IV, que no estaba disponible cuando preparé este artículo, por poco más de 170 €. Yo tengo una y es formidable.

    Saludos cordiales,

    Carlos

  14. Hola, Asgar Grajales del grupo espeleológico Vaxakmen, de Chiapas, México, en el 2004 presentó en una ponencia un sistema de leds solo que no se le dio continuidad. Él elaboró también un prototipo y en efecto, parte del problema es hacer este sistema estanco. Suerte y ánimo.

    • La resistencia número 2 es un potenciómetro de 10 K ohmios que permite variar la intensidad de la luz, y va conectada en los puntos P1, P2 y P3 indicados en el circuito impreso. P1 = patilla superior del potenciómetro, P2 = patilla inferior (masa), P3 = patilla central.

  15. Hola Carlos, estaba mirando el hacer o comprar una frontal para espéleo. La Scurion parece perfecta, si no es por el precio y por su peso, casi 500gr en la cabeza. El hacerla pues lo más difícil la estanqueidad, de lo demás hay leds y drivers en muchas páginas. Una interesante que vi en una pagina de comparaciones es la LedLampe IV que dices que posees. En la web no hay mucha información, la verdad, los modos no están muy bien descritos y no dice su peso. Como luz es mas homogénea que la del Scurion, quizás para fotografía valga mejor. Podrías ampliarnos mas la información de esta frontal y tus conclusiones?
    – Peso.
    – Usabilidad. ¿Echas en falta algo?
    – Estanqueidad.
    – Los diferentes modos, ¿son útiles?
    – ¿Se puede programar de alguna manera?

    Un saludo desde Cantabria.

    • Buenos días Luis Miguel:

      Utilizo el Scurion P7 desde hace un año y medio y estoy encantado. En realidad el peso con casco supera los 700 gramos (ese es el único inconveniente…). Como lámpara auxiliar de emergencia llevo la pequeña Led Lenser P5 en el petate.

      La LedLampe IV es bastante menor y más ligera que el Scurion. Trae un sistema de anclaje muy sencillo, cuyos taladros coinciden perfectamente con los de la frontal Petzl Fixo Duo, de manera que no es preciso realizar nuevos agujeros en el casco. Por otra parte, puede utilizar la caja de pilas Petzl original, con 4 pilas de 1,5 V ó 4 acumuladores recargables NiMH de 1,2 V. La conexión es directa; basta soldar el cable del frontal LedLampe IV con el de la caja de pilas Petzl, cuidando la polaridad. Con pilas Energizer de litio de 1,5 V lo hemos utilizado durante más de 5 horas en Ojo Guareña (galerías amplias), sin problemas y sin llegar a notar una reducción significativa de la intensidad de luz. No hemos llegado a hacer una prueba exhaustiva para comprobar el rendimiento de las baterías.

      La frontal viene programada de fábrica en un «modo económico» que prima el rendimiento y la duración de las pilas y que, en la práctica, va bien y proporciona bastante luz; no, desde luego, toda la que puede llegar a dar. De hecho LedLampe IV utiliza los mismos LED (Seoul Z P7) que el Scurion. Mediante una programación específica, que se puede solicitar en el momento de hacer el pedido, la potencia lumínica puede elevarse considerablemente. En este caso, lógicamente, la duración de las baterías será bastante menor.

      Ahora bien, si se desea disponer de toda la potencia disponible, es necesario optar por otro tipo de baterías, preferentemente de litio y de gran capacidad. Pero esa parte, de momento, no está resuelta por el fabricante y es necesario buscar una solución alternativa. Ese es, precisamente, uno de los puntos fuertes del Scurion: su batería de larga duración y el cargador programado que viene incluido son elementos de un valor evidente (sin olvidar, por cierto, la caja de batería estanca).

      El pedido de la LedLampe IV se realiza por correo electrónico dirigido a: info@techt.ch. El precio, gastos de envío incluidos, es 178 euros.

      Saludos cordiales,

      Carlos

Los comentarios están cerrados.