Simplificando la tecnología LED www.solucionescarandini.com

Aumentar luz REDUCIR ENERGÍA

Funcionamiento de la iluminación con LED Factor / Hopwood Hall College

Este manual pretende ayudar al lector a entender un poco mejor los LED y las luminarias LED, y despojar así a esta tecnología de parte de su mística. Abordaremos las partes de las normas actuales relativas al LED que son relevantes para los especificadores, los consultores y los usuarios finales, junto con la información necesaria para tomar decisiones informadas entre productos de diferentes proveedores de luminarias. En las siguientes páginas también echaremos un vistazo a la tecnología de los circuitos LED y al verdadero significado de las afirmaciones sobre la vida útil, y compararemos la calidad de las fuentes de luz convencionales con la de los LED. Si bien las normas especifican la información que deben publicar los fabricantes de luminarias, no existe un formato estándar establecido todavía. Carandini ha desarrollado su propio formato para hacerlo lo más informativo posible, como se mostrará más adelante en el manual. Asimismo, hemos incluido en el anexo información y tablas de utilidad para su referencia. Debido al ritmo de desarrollo de la tecnología LED, es inevitable que este manual quede desfasado en algún momento en un futuro próximo. Carandini publicará periódicamente versiones revisadas a fin de mantenerse al corriente. Por lo tanto, aunque se ha aplicado el máximo esmero para garantizar que la información sea actualizada y exacta, Carandini no puede aceptar ninguna responsabilidad por decisiones basadas en la información contenida en este manual. Confiamos en que esta publicación le resulte informativa y de utilidad. Cualquier comentario relativo al contenido, a la elección de temas o técnico será bienvenido. Envíe un correo electrónico a [email protected] con sus comentarios para ayudarnos a mejorar la experiencia de los lectores.

Simplificando la tecnología LED v1.0 2013 4

6

Los LED y su funcionamiento

10

Definiciones y terminología de las luminarias LED

14

Alimentadores de LED (drivers)

18

Calidad de la luz LED



Indicadores del rendimiento



Calidad de luz mediante ensayos



Temperatura de color

24

Vida nominal / vida proyectada



Módulo LED

Drivers 26

LED y normas



Normas y requisitos IEC



Depreciación de lúmenes



Código fotométrico

32 Fotometría 33

Protección del circuito

36

Garantías Carandini

37 Conclusiones 38

Apéndice A: información útil 5

Los diodos emisores de luz (LED-Led Engine Diode, por sus siglas en inglés), también conocidos como chips, se fabrican a partir de un material semiconductor que genera luz al ser atravesado por una corriente eléctrica. La cantidad y la longitud de onda de la luz varían en función de la composición química del semiconductor. En la mayoría de productos de iluminación general se utilizan preferentemente los LED que emiten directamente luz blanca, en lugar de luz blanca derivada de luz mezclada a partir de tres colores RGB, por criterios de coste, complejidad y eficiencia.

Los LED y su funcionamiento lente de silicona

supresor de tensiones transitorias (TVS)

capa de fósforo

cátodo chip LED

sustrato cerámico

capa adhesiva 6

disipador térmico (aislado eléctricamente)

capa metálica de interconexión

Los LED y su funcionamiento

Los LED de luz blanca de «alto rendimiento» no generan la luz directamente. El chip LED genera predominantemente luz azul, la cual se hace pasar a través de una capa de fósforo para convertirla a un espectro blanco, de forma similar a lo que ocurre en una lámpara fluorescente, obteniéndose como resultado una luz blanca que es una mezcla de la luz emitida desde la superficie del chip LED y por la capa de fósforo. La capa de fósforo se manifiesta como una capa amarilla pálida, presente en la mayoría de los LED utilizados en el mercado del alumbrado. Un método alternativo para generar luz a partir de los LED es el uso de fósforo remoto. Este método emplea un panel de fósforo situado a corta distancia de los LED, los cuales emiten su energía en el espectro azul. Al atravesar el panel de fósforo, la mayor parte de la energía luminosa se convierte en luz en el espectro blanco. Este método crea una fuente de luz mucho mayor para un rendimiento en lúmenes similar. Si bien puede ser considerado menos deslumbrante por un observador, resulta más difícil de controlar.

Los LED se montan sobre una placa de circuito impreso (PCI), habitualmente en líneas en serie. La corriente que atraviesa cada LED en una línea es la misma, mientras que la tensión disminuye al atravesar cada LED. En el caso de LED individuales, la industria tiende actualmente a publicar datos basados en un LED alimentado a 350 mA con una caída de 3 V (aprox.), resultando en un LED de aprox. 1 W (0,35 x 3). Habitualmente, el mismo LED puede ser alimentado a corrientes más elevadas, normalmente de 530 mA y 700 mA, e incluso de 1 A en algunos casos. El inconveniente de una corriente de alimentación elevada es una menor eficiencia, y el LED suele tener una vida proyectada más corta, ya que se ve obligado a disipar más energía. Se comercializan LED multichip, habitualmente consistentes en un conjunto de dispositivos de 1 W.

Normalmente, de la alimentación eléctrica se encarga el driver que puede suministrar corriente constante o bien tensión constante. La ejecución para corriente constante es, con diferencia, la más popular. Los drivers de tensión constante tienden a utilizarse para productos ELV (de muy baja tensión), en los que la tensión de salida del alimentador es inferior a 50 V. 7

Pese a ser más eficientes que la mayoría de lámparas de descarga y lámparas fluorescentes, particularmente en los niveles de potencia inferiores, convierten en calor entre el 65 % y el 80 % de la energía del LED, transfiriéndolo en su mayor parte a la PCI-placa de circuito impreso. Por lo tanto, es esencial alejar del calor de la pequeña «huella» del LED, puesto que su eficiencia y longevidad también dependen de mantener una temperatura de la unión del LED (Tj) lo más baja posible. Normalmente, la temperatura de la unión del LED en un producto bien gestionado térmicamente se sitúa en la gama entre 70 °C y 100 °C. La temperatura máxima admisible es de aproximadamente 140 °C. En este extremo, la vida útil del LED será mucho más corta. Así pues, como cabe suponer, la gestión térmica es clave para la supervivencia del LED. Es perfectamente posible diseñar dos productos LED con un rendimiento fotométrico inicial similar, pero rendimientos térmicos muy dispares. En igualdad de condiciones, cabe esperar que el producto con la mejor gestión térmica tenga una vida más larga y un mantenimiento de lúmenes superior.

8

Los LED se fabrican a partir de un delgado disco de material semiconductor que se corta para dividirlo en miles de «chips» LED individuales, cada uno de los cuales tiene características (eficacia, color y propiedades eléctricas) ligeramente distintas. Los fabricantes de LED de calidad se esmeran en clasificar los chips individuales en lotes con rendimiento, color o ambos similares, en un proceso denominado «binning» o «agrupamiento». De modo similar, los fabricantes de luminarias de calidad escogen cuidadosamente el grupo o los grupos más adecuados para la aplicación del producto. Los fabricantes pueden mejorar el rendimiento de los LED de un grupo concreto modificando selectivamente el fósforo.

Los LED y su funcionamiento

A continuación se presenta una explicación de los términos empleados en la tecnología de luminarias LED, conforme a la norma actual propuesta por la IEC en relación con la tecnología de iluminación con LED. Se espera que el documento propuesto por la IEC se convierta en norma europea, y por consiguiente pase a ser obligatorio publicar determinada información sobre los productos. A continuación se ofrece una descripción de algunos de los requisitos y la terminología con los que podría encontrarse y con los que puede que no esté familiarizado.

Definiciones y terminología de las luminarias LED

10

Definiciones y terminología de las luminarias LED

Indicadores de la vida del LED Lxx – Definido como L70, L80 o L90. La letra se refiere a los lúmenes (iniciales), y el número describe el porcentaje de los lúmenes iniciales que un grupo de LED habrá alcanzado en un momento determinado. Es el método establecido para especificar la depreciación de lúmenes conforme a la IEC. Bxx: describe el porcentaje de los LED que se sitúan por debajo de un nivel de depreciación Lxx relacionado. Cxx: indica el porcentaje de un grupo de LED que ya no emiten luz (LED fallidos). En ocasiones expresado como CxxL00. Fxx: se trata de la fracción (o %) de fallo de un grupo de LED o de módulo LED en relación con Lxx. Una combinación de Bxx y Cxx Vida proyectada: como se ha indicado anteriormente, la proyección de vida del módulo LED se halla en relación con la depreciación de lúmenes, un concepto que le resultará familiar. No obstante, la mortalidad como la depreciación de lúmenes a lo largo de la vida están relacionadas con la temperatura, no es de extrañar que la vida proyectada también esté relacionada con la temperatura ambiente. En términos prácticos, para los productos LED para exteriores debemos tomar en consideración el ambiente que declaramos. Para los productos con lámpara de descarga, la práctica habitual de la mayoría de fabricantes ha consistido en declarar la temperatura

ambiente máxima, independientemente de si el producto está concebido para uso en interiores o en exteriores. En el caso de los productos LED para exteriores, resulta más práctico declarar una temperatura o temperaturas ambiente que se hallen más cercanas a la temperatura ambiente promedio prevista mientras el producto está encendido. La norma propuesta sugiere a los fabricantes que adopten esta práctica, y la han designado como: Tq: la temperatura ambiente en relación con la vida proyectada. Recuerde que Ta expresa la temperatura ambiente máxima declarada para un producto por el fabricante de la luminaria. Así, como fabricante podríamos declarar una vida proyectada de X horas a una Tq de 20 °C para Europa del Norte y de Y horas a una Tq de 25 °C para Europa del Sur. No tiene sentido indicar LxxFxx sin una línea temporal y una temperatura relacionada. En resumen, lo más probable es que encuentre los datos sobre la vida proyectada expresados mediante los tres «elementos de vida», habitualmente como L70F50 - 65 k horas 25 °C Esta constituirá la base de la garantía de Carandini.

11

Terminología LED LED (siglas inglesas de «diodo emisor de luz»): dispositivo de estado sólido que emite radiación en el espectro óptico (luz) cuando es atravesado por una corriente. Temperatura de la junta (Tj): se trata de la temperatura de la interfaz interna de los LED, en la que se genera la luz. No puede medirse directamente. La vida útil del LED está relacionada con esta temperatura, de modo que se utiliza, junto con otros datos, para estimar la vida útil del LED o del módulo LED. Tc: es la temperatura de un punto o una superficie designados, que no debería excederse a fin de preservar el rendimiento y la seguridad de un componente, y habitualmente se aplica a drivers y equipos electrónicos. Alimentador (Driver): dispositivo electrónico utilizado para suministrar alimentación eléctrica a un LED o una matriz LED. Corriente de alimentación : la corriente sostenida suministrada por un driver de «corriente constante». La vida útil del módulo LED está relacionada con la corriente de alimentación: a igualdad de temperatura de la unión, cuanto mayor sea la corriente, más corta será la vida útil.

12

Grupo LED: el método utilizado por los fabricantes de LED para agrupar los LED con características (tales como color y eficacia) similares. Al adquirir los LED, el fabricante de

la luminaria especifica el rendimiento requerido del LED por medio del número de grupo del fabricante. Tcase del LED: se trata de la temperatura del punto de medición más cercano a la «unión». Se utiliza para determinar la Tj a partir de la información facilitada en la guía de diseño del fabricante del LED. Chip semiconductor: es el componente emisor de energía dentro del LED, suele tener unas dimensiones de 1,5 mm x 1,5 mm x 1 mm. Conversión de fósforo: se utiliza para convertir la energía emitida por el chip al espectro visible, confiriendo al LED su característica coloración amarilla bajo la lente de silicona u otros dispositivos ópticos cuando no está encendido. PCI: placa de circuitos impresos Elipse de MacAdam: basándose en un punto cualquiera del diagrama de cromaticidad, se describe un límite circundante (que tiene forma elíptica) en el cuál el ojo humano es capaz de percibir una diferencia de color respecto al punto original.

Definiciones y terminología de las luminarias LED

Bajo estas líneas se reproduce un diagrama de cromaticidad que muestra elipses de MacAdam Las elipses más pequeñas indican el área de color en la que el ojo humano puede detectar pequeños cambios en las coordenadas X-Y del diagrama de cromaticidad.

La segunda ilustración muestra el tamaño de elipses de MacAdam de 3, 5 y 7 pasos sobre la curva de cuerpo negro.

0,9 520 0,43

0,8 540

Rango de temperatura de color para 3.000 K (ANSI C78.377) = estándar de la industria del LED

0,7 0,42

560 0,6 500 0,5

580

0,41

0,4

600

0,40

620

0,3 490

Línea del «cuerpo negro»

Y

700 Elipses de MacAdam de 3 pasos = seleccionada por CITIZEN

0,2 0,39 0,1

0

480 470 460 0,1 0,1

Elipses de MacAdam de 5 pasos Elipses de MacAdam de 7 pasos 380 0,2

0,3 0,3 0

0,4 0,4

0,5 0,5

0,6 0,6

0,7 0,7

0,8 0,8

0,38 0,41 0,41

0,42 0,42

0,43 0,43

X

0,44 0,44

0,45 0,45

0,46 0,46

Vida nominal: el tiempo durante el cual un LED o grupo de LED mantiene o supera un flujo luminoso especificado (Lxx), y al mismo tiempo mantiene o se sitúa por debajo de la fracción de fallo especificada Fxx.

13

Los circuitos LED no se diferencian de las lámparas de descarga por lo que respecta a su necesidad de energía controlada para que la fuente de luz pueda proporcionar una calidad de luz constante y predecible. En una lámpara de descarga convencional, la reactancia magnética limita la corriente que se permite a la lámpara absorber a través de la reactancia. Los drivers de LED son similares en algunos aspectos, ya que los drivers suministran al circuito una corriente y una tensión preajustadas.

Alimentadores de LED (DRIVERS)

14

Alimentadores de LED (DRIVERS)

genéricamente «drivers de rendimiento en lúmenes constante», y que en teoría proporcionan niveles de luz constantes en el plano de trabajo a lo largo de la vida útil del módulo LED. Tomando el ejemplo mostrado a continuación, los drivers estarían programados para suministrar el 80 % de la energía a los LED en el momento de su instalación e incrementar gradualmente la energía de forma inversamente proporcional a la curva de depreciación de lúmenes de los LED. El ahorro de energía a lo largo de la vida útil del producto se representa mediante el área entre las curvas. A continuación se reproduce un escenario nocturno típico de bajo consumo energético mediante niveles de iluminación reducidos sobre la base de la densidad del tráfico.

Por su propia naturaleza, los LED utilizan únicamente una cantidad específica de energía en proporción con la corriente que los atraviesa. Por ejemplo, un driver de 350 mA a 60 V podría suministrar energía a uno o a 20 LED de 1 W (3 V). Independientemente de su número, cada LED consumirá la misma cantidad de energía. Muchos drivers cuentan con un sistema de regulación incorporado que monitoriza la temperatura de la PCI y reacciona reduciendo la corriente de alimentación al excederse un límite preestablecido para la temperatura de la PCI. Naturalmente, la PCI debe estar provista de un dispositivo de detección térmica conectado al driver.

0 100

% del nivel de luz inicial

Por regla general, los drivers cuentan con una regulación opcional mediante control de 1-10 V, protocolo MADLI o DALI, que varía la corriente de alimentación a los LED a fin de controlar el rendimiento en lúmenes de la luminaria. La regulación se utiliza principalmente para el ahorro energético y la escenificación.

90

AHORRO ENERGÉTICO

80

70 Objetivo de mantenimiento de lúmenes Depreciación de lúmenes típica del LED

60

Para aplicaciones en exteriores es preferible un driver con un grado IP elevado. Esto proporciona protección adicional a los componentes electrónicos durante toda la vida útil, protegiéndolos de las condiciones ambientales. Siempre que resulta posible, Carandini utiliza alimentadores con grado IP elevado. También se comercializan drivers que pueden programarse para compensar la depreciación de lúmenes, denominados

50 0

10K 0

20K 0

30K 30

40K 0

50K 50

60K 60

70K 0

80K 80

Horas de funcionamiento

Para el alumbrado de carreteras están disponibles drivers programables que pueden configurarse para reducir la potencia o para apagarse durante periodos predeterminados durante la noche, el denominado «funcionamiento nocturno regulado». 15

100

% del rendimiento total

AHORRO ENERGÉTICO 80

60

40

ALUMBRADO PÚBLICO

20

0

16 4

17 5

18 6

19 7

20 8

21 9

22 10 0

23 11

24 12

1

2

3

4

5

6

7

horas

16

Protección contra sobretensiones

Factor de potencia

Al igual que todos los dispositivos electrónicos, son susceptibles a daños causados por picos de tensión elevados, habitualmente provocados en la red de alimentación por la caída de rayos. Los drivers de buena calidad incorporan protección inherente contra sobretensiones hasta cierto punto, normalmente 3 kV, para proteger el driver y el módulo LED. Sin embargo, en áreas con gran frecuencia de sobretensiones por el motivo que sea, o si se considera apropiado un mayor grado de protección, podría ser necesario incorporar al circuito una protección de 10kV. Esto puede hacerse con relativa facilidad, dependiendo del espacio disponible en el interior de la luminaria, instalando un dispositivo adicional de protección contra sobretensiones.

La corrección del factor de potencia es inherentemente elevada —habitualmente de 0,95— en los drivers de buena calidad, y este nivel se mantiene durante toda la vida útil del driver. Como consecuencia, para aplicaciones de alumbrado público en España, las tarifas especificadas para la potencia reactiva deberían ser menores en comparación con un circuito de lámpara de descarga con la misma potencia. Si se utiliza regulación, el factor de potencia tiende a disminuir a medida que aumenta el nivel de regulación. Por regla general, se da un factor de potencia de aproximadamente 0,85 a un nivel de regulación de alrededor del 30 % del rendimiento total.

Alimentadores de LED (DRIVERS)

Indicadores del rendimiento Desde el punto de vista de Carandini, el aspecto más importante con diferencia de cualquier proyecto de alumbrado es la calidad de la iluminación. Iluminamos espacios por motivos específicos, ya sean de trabajo, de ocio o de seguridad, de manera que el alumbrado debería adaptarse al fin previsto.

Calidad de la luz LED

18

Calidad de la luz LED

Para «aplicaciones» específicas, tales como calzadas, lugares de trabajo e instalaciones de ocio están especificados numerosos niveles de iluminación mínimos y uniformidades. Lo que el comprador de alumbrado para estos espacios necesita generalmente es alcanzar la especificación al mínimo coste durante toda la vida útil o coste instalado, mediante un producto de calidad que ofrezca el rendimiento prometido en todos los sentidos. La magnitud escogida para comparar las propuestas de proveedores potenciales de equipos de alumbrado es esencial, como también lo es su confianza en las descripciones del rendimiento de las luminarias que esté considerando y la confianza que le inspire el fabricante. Por ejemplo, ¿invertiría miles de euros en mejorar su hogar sin confiar en el proveedor o el fabricante? Una magnitud que suele indicarse para representar la eficiencia de una luminaria son los lúmenes por vatio (lm/W). Se trata de una magnitud que no expresa la calidad de la luz. Indica simplemente la eficiencia del circuito eléctrico y de la lámpara o luminaria, pero no la eficiencia a la hora de proporcionar la luz allí donde la necesita. Esta magnitud puede utilizarse engañosamente para sugerir que cuanto mayor sea el valor de lúmenes/vatio de la luminaria, tanto mejor será la solución de alumbrado. Tomemos como ejemplo una fuente de luz LED

con un rendimiento de 100 lm/W desde una matriz LED esférica. Llevemos el ejemplo al extremo: si utilizamos la matriz LED desnuda como luminaria, el 50 % de la luz se emite por encima de la horizontal y se desperdiciará a efectos prácticos, mientras que el 50 % restante (50 lm/W) se emitirá por debajo de la horizontal, allí donde lo queremos. Colocando esa misma matriz LED en una luminaria, puede que tan solo obtengamos el 80 % (80 lm/W) de la luz, pero si toda esa luz se dirige hacia abajo, allí donde la queremos, será en la práctica un 60 % más eficiente que la lámpara desnuda a 100 lm/W. Así, para iluminar un espacio que requeriría 120 matrices LED desnudas con un rendimiento de 100 lm/W necesitaríamos tan solo 75 de las luminarias LED de 80 lm/W. Por lo tanto, lm/W no constituye necesariamente una magnitud adecuada para juzgar la calidad de alumbrado de las luminarias. Por supuesto, esto plantea una pregunta inevitable: ¿cómo evaluamos la calidad de alumbrado de un espacio alcanzada por una luminaria? La magnitud de vatios/m2 para alcanzar un rendimiento de alumbrado especificado es una de las opciones. Esta magnitud combina la eficiencia de la fuente de luz, de la luminaria y de la distribución de la luz. La EN15193 utiliza esta magnitud para el cálculo del LENI (indicador numérico de energía de iluminación), un número que se emplea junto con otras normas EN y nacionales para garantizar la eficiencia energética de los edificios.

19

Pero la calidad de la iluminación no es una cuestión tan solo de la luminaria, sino que abarca también la calidad del fabricante y la calidad del rendimiento de la luminaria a lo largo de su vida útil. Las luminarias LED no son diferentes en este sentido a los productos de alumbrado convencionales. La norma IEC propuesta, que se discutirá más adelante en este manual, especifica los parámetros que debería publicar el fabricante. Por lo que respecta al rendimiento, la norma se concentra en el mantenimiento de lúmenes y en los porcentajes de fallo durante la vida útil, parámetros que permiten al potencial comprador evaluar las luminarias de igual a igual, además de posibilitar comparaciones normales del rendimiento de alumbrado real. A este respecto, cabe recordar que la vida proyectada o «vida nominal» es una mejor predicción de la longevidad de los LED por parte de los fabricantes de LED, toda vez que los LED no llevan produciéndose el tiempo suficiente como para confirmar sus expectativas de vida reales. Dicho esto, se dispone de abundantes datos sobre la vida útil de dispositivos electrónicos, información sobre la que los fabricantes de LED basan su confianza.

20

La calidad de la luz también está relacionada con los datos utilizados para diseñar un proyecto de alumbrado. Mientras que los datos fotométricos facilitados por los fabricantes de alumbrado se generan en un formato

estándar, la base de la información puede diferir. Algunos fabricantes buscan maneras de compensar las deficiencias en el rendimiento mediante el uso de lo que para la mayoría de nosotros resulta tecnología o investigación misteriosa: la «relación E/F» (relación entre la visión escotópica y la fotópica) es uno de estos conceptos que a menudo se aplican erróneamente. La agudeza visual de un observador depende tanto de la distribución espectral del color (color) de la luz como del nivel de iluminación. La base de la «relación E/F» la constituye el color de la luz y su efecto sobre la agudeza visual. La afirmación básica es que la agudeza visual depende del color, el índice Ra (una medida de la exactitud de la reproducción cromática) de la fuente de luz que ilumina el objeto, lo cual es cierto. Igualmente cierto, pero rara vez mencionado o entendido es el hecho de que la cantidad de luz que llega al ojo también es sumamente relevante para la agudeza visual y la influencia de la relación E/F. Cuanto mayor es el nivel de luminosidad, tanto menor es la influencia del índice Ra sobre la agudeza visual. La visión escotópica se utiliza en condiciones de luminosidad muy baja, mientras que la visión fotópica es la que utilizamos en el día a día, ya sea con luz natural o artificial. Básicamente, por encima de 20 lux (dependiendo de la reflectancia de la superficie) el ojo humano aplica la visión

Calidad de la luz LED

fotópica, mientras que por debajo de este nivel se produce un cambio gradual a la visión escotópica a medida que se reduce el nivel de iluminación. Así que cuando se recurre a la relación escotópica/fotópica (relación E/F) para justificar afirmaciones de que se utilizan niveles de iluminación menores que resultan en un ahorro energético, probablemente los datos sean engañosos en muchos casos. Por ejemplo, la relación E/F de los LED blancos y de una fuente de luz VSAP suele ser de 1,8 y de 0,6 respectivamente, pero ¿qué significa esto en la práctica? A niveles de iluminación muy bajos, de alrededor de 1 lux, podemos esperar que nuestra agudeza visual sea tres veces mejor con la iluminación por LED blancos que con una fuente de luz VSAP. A medida que aumenta el nivel de luz, digamos en torno a 20 lux, el efecto de la relación E/F se reduce hasta un nivel en el que existe muy poca diferencia entre ambas fuentes por lo que respecta a nuestra agudeza visual. Así pues, es cierto que a niveles muy bajos podríamos iluminar un espacio con un nivel considerablemente inferior utilizando LED blancos en comparación con VSAP y gozar de la misma agudeza visual, pero es improbable que alguna vez iluminemos un espacio a un nivel en el que pueda aplicarse completamente la relación E/F. A la inversa, el alumbrado de carreteras se sitúa generalmente por debajo de 20 lux, y podría argumentarse la posibilidad de rebajar el alumbrado una «clase» empleando fuentes de luz blanca en lugar de

fuentes de luz de sodio de alta presión. De hecho, algunas autoridades de Europa están considerando aplicar esta filosofía. Existe una propuesta de enmienda de la norma de alumbrado de carreteras del Reino Unido (BS5489) que se espera que formalice el uso de relaciones E/F a niveles de iluminación, reduciendo el consumo energético para el alumbrado de carreteras. Relación E/F de las fuentes de luz presentes en el mercado Sodio de baja presión

0,25

Sodio de alta presión (VSAP) 250 W transp.

0,63

VSAP 400 W transparente

0,66

VSAP 400 W recubierta

0,66

Vapor de mercurio (VM) 175 W recubierta

1,08

VM 400 W transparente

1,33

Incandescente

1,36

Faro halógeno

1,43

Fluorescente blanco frío

1,46

Halogenuros metálicos (HM) 400 W recubierta

1,49

HM 175 W transparente

1,51

HM 400 W transparente

1,57

Faro HM

1,61

Fluorescente 5.000 °K

1,97

LED blanco1 4.300 °K

2,04

Fluorescente 6.500 °K

2,19

Las relaciones E/F de los LED blancos convertidos mediante fósforo son específicas de cada grupo y fabricante.

1

Quienes deseen profundizar un poco más en este tema pueden consultar un documento muy informativo, denominado «documento de apoyo» y referenciado en el apéndice «A» .

21

Calidad de luz mediante ensayos Cualquier fabricante de calidad se asegurará de que su producto cumpla las normas y directivas relevantes antes de comercializarlo. En Carandini estamos especialmente orgullosos del nivel de exigencia que aportamos a nuestros productos por ello realizamos un doble análisis dentro de la compañia y apoyado por un laboratorio externo certificado por ENAC

Específicamente para los productos LED, Carandini realiza un proceso de prueba de esfuerzo “soak test” antes de su envío, a fin de minimizar los fallos «prematuros» de los módulos LED que llegan a nuestros clientes. La mortalidad acelerada es un problema conocido que afecta a todos los componentes y conjuntos electrónicos. Si bien los fabricantes

Instalaciones de prueba de esfuerzo “Soak Test” de Carandini de LED adoptan medidas para eliminar estos fallos al nivel del componente, el proceso por el cual se transforman los LED en un módulo puede provocar fallos prematuros en un número muy reducido de conjuntos de módulo LED. Nuestro proceso de”soak test” está diseñado para identificar tales fallos.

Curva de vida hipotética

22

Calidad de la luz LED

Temperatura de color Muchos lectores conocerán el concepto, comúnmente denominado Temperatura de color, y estarán familiarizados con él en relación con otras fuentes de luz, especialmente lámparas fluorescentes, las cuales se describen como de 3.000 °K, 4.500 °K, etc. Puede que a otros lectores les resulten familiares los términos «blanco cálido», «luz diurna» o «luz del norte» como forma descriptiva de referirse al mismo concepto. Pero ¿qué significa realmente 3.000 °K? Consideremos la lámpara transparente de tungsteno de 60 W, conectada a un circuito regulador. Cuando cambiamos desde la posición de apagado a la de plena potencia, el color del filamento pasa de negro a rojo apagado, después naranja y así hasta llegar a blanco brillante a medida que se incrementa la energía que recorre el filamento y este se calienta cada vez más. La temperatura del filamento describe el color de la luz emitida. Utilizando un diagrama RGB, que muestra todos los colores que vemos, resulta posible trazar el color del filamento a varios niveles de potencia.

Volviendo a los LED, su luz se describe en términos de grados Kelvin (°K), como ocurre en el caso de la mayoría de fuentes de luz comerciales. Los LED de eficiencia más elevada tienden a hallarse en el extremo azul del espectro (designación de temperatura más elevada), conocido irónicamente como el extremo frío del espectro. La diferencia en el rendimiento en lúmenes entre un LED de 4.100 °K (blanco neutro) y un LED de 2.700 °K (blanco cálido) de la misma gama puede alcanzar el 80 %. Esto se debe a una conversión más eficiente de la energía LED en luz visible en las temperaturas de color más elevadas. Los especificadores deberían tener esto en cuenta al mencionar una TCC (temperatura de color correlativa) o al comparar productos LED.

0,9 520 0,8 540 0,7 560 0,6 500 0,5

580

Tc(K)

4000

3000 2500

6000

0,4

2000 1500

10000

600 620

0,3 490

700

∞

0,2

0,1

0

480 470 460 0,1 0,1

380 0,2

0,3 0,3 0

0,4 0,4

0,5 0,5

0,6 0,6

0,7 0,7

0,8 0,8

23

La vida nominal o vida proyectada es la vida útil prevista basada en datos de ensayo o datos de la vida real. La vida proyectada para los equipos electrónicos está relacionada con los fallos previstos en un momento dado. Por ejemplo, un electrodoméstico podría tener una vida útil declarada de 10 años con un índice de fallos previsto del 10 %, y para ese mismo aparato podrían declararse 5 años con un 2% de fallos.

Vida nominal / vida proyectada

24

Vida nominal / vida proyectada

Módulo LED

Driver

De acuerdo con las normas que se discutirán en el siguiente capítulo, debería publicarse la duración de la vida nominal del módulo LED o de la luminaria, junto con detalles sobre el mantenimiento de lúmenes previsto durante la vida nominal y el porcentaje previsto de LED o luminarias cuyo rendimiento se situará por debajo del mantenimiento de lúmenes indicado (fracción de fallo).

Los drivers de LED son muy similares a las reactancias electrónicas para lámparas de descarga y fluorescentes, de modo que la gran cantidad de datos acumulada durante muchos años puede transferirse a las predicciones sobre la vida útil de los drivers de LED. La vida útil se estima habitualmente en 50.000 horas, con un 10% de fallos en función a la temperatura máxima de la carcasa del driver (Tc). Si conseguimos diseñar nuestros productos de manera que mantengan la temperatura Tc como mínimo 10°C por debajo del máximo especificado, podemos esperar duplicar la vida útil manteniendo el mismo índice de fallos, lo cual resultaría en una vida proyectada de 100.000 horas. Los fallos causados por estrés mecánico, corrosión, frecuencia de conmutación, etc. se vuelven más significativos en comparación con los fallos «naturales» de los componentes, y por consiguiente las predicciones de vida útil más allá de 100.000 horas se vuelven cada vez menos fiables. La norma actual sobre luminarias no contempla el rendimiento del driver dentro de una luminaria. Sin embargo, Carandini ha adoptado la decisión de publicar el rendimiento del driver junto con el rendimiento del módulo LED, de modo que los clientes puedan hacerse una idea completa de la expectativa de vida de los productos que ponen en servicio. El formato publicado de esta información podría variar dependiendo del tipo de producto y del uso previsto.

Debemos comprender que los LED de alta potencia para alumbrado no llevan produciéndose el tiempo suficiente como para disponer de datos reales sobre su vida útil, y en vista del ritmo actual del desarrollo de los LED es poco probable que veamos publicados en un futuro próximo rendimientos de LED basados en datos reales sobre la vida útil total. La industria utiliza matemáticas complejas y la teoría de la probabilidad para extrapolar la vida útil del LED a periodos de tiempo en los que el rendimiento en lúmenes desciende por debajo de un porcentaje definido del rendimiento inicial. Las normas (TM21) permiten esta extrapolación hasta 6 veces la duración real del ensayo. Como puede suponer, cuanto mayor sea la extrapolación adoptada tanto mayor será la tolerancia, y en el mejor de los casos la vida nominal no puede ser más que una estimación basada en principios sólidos.

25

Para aquellos lectores que deseen profundizar en las normas relativas a los LED, hemos citado los principales documentos para que puedan obtener copias para su lectura complementaria; para aquellos de ustedes que no deseen hacerlo, esperamos que la información contenida en las siguientes páginas sea suficiente para desmitificar parte de la jerga relacionada con los LED.

LED y normas

26

LED y normas

Normas y requisitos IEC Varias de las normas se hallan en proceso de desarrollo o están a la espera de ser adoptadas, pero los fabricantes tienen que conformarse con lo que tenemos actualmente. El problema es que la implementación del LED en la iluminación se ha desarrollado y continúa desarrollándose a un ritmo sin precedentes. Esto supone, para los organismos encargados de desarrollar las normas, una gran dificultad a la hora de mantener las normas acorde con la tecnología y las tendencias actuales. Dicho esto, veamos cuál es exactamente su situación. Acabemos primero con la parte «científica». Las normas relativas a la aplicación de los LED en productos son cubiertas predominantemente por dos publicaciones. • IEC/PAS 62722-2-1 Rendimiento de luminarias, requisitos específicos para luminaria LED Esta norma para luminarias especifica la información que debe presentarse al mercado y establece que deben aplicarse los métodos de ensayo utilizados en 62717.

• IEC/PAS 62717 Módulos LED para iluminación, requisitos de rendimiento. Esta norma se aplica a los módulos LED (motores de iluminación). IEC es la Comisión Electrotécnica Internacional; PAS es una especificación públicamente disponible

Estas normas especifican como determinar la vida de los LED’s, junto con otros datos sobre la fuente de luz y el rendimiento. A continuación nos centraremos en la determinación del rendimiento en cuanto a vida útil. 27

Depreciación de lúmenes La mayoría de los lectores estarán familiarizados con el término, que expresa el porcentaje de rendimiento en lúmenes de una luminaria en comparación con el rendimiento inicial. En cumplimiento de la norma, esto se describe al comprador como el porcentaje de rendimiento en lúmenes inicial precedido por la letra «L», de modo que L70 describe un mantenimiento del 70 % del rendimiento en lúmenes inicial. Toda vez que una luminaria LED es un producto con fuentes de luz múltiples, a diferencia de las luminarias de descarga, la información sobre la depreciación de lúmenes debería incluir la probabilidad de los LED fallidos dentro del total de la población de LED que conforman un módulo LED. Si consideramos un módulo LED consistente en 20 LED, el fallo de un LED dentro de la población reduce inmediatamente en un 5 % el rendimiento en lúmenes, porcentaje que se añadirá a la depreciación de lúmenes general del módulo LED. La nueva norma IEC toma esto en consideración. Hasta hace poco tiempo, algunos fabricantes indicaban un segundo indicador de rendimiento con el que tal vez se haya encontrado, p. ej. B50 o B10. Estos indicadores describen el número previsto de luminarias que no alcanzarán el valor de mantenimiento 28

de lúmenes Lxx precedente. B50 significa que el 50% de los LED no alcanzarán el valor Lxx y el 50 % lo harán. Así que el promedio sería un mantenimiento de lúmenes de Lxx. A su vez, B10 significa que el 10 % se situarán en o por debajo del valor Lxx y el 90 % lo excederán por lo que respecta únicamente al mantenimiento de lúmenes del LED. La norma IEC exige ahora que, además de la depreciación de lúmenes, se tome en consideración también la mortalidad de los LED. Este parámetro se define ahora en las normas como Fyy. El número Lxx debería ir seguido del número Fyy, así que obtenemos LxxFyy, que expresa la depreciación de lúmenes y el porcentaje de luminarias que lo alcanzará y no lo alcanzará, tal como se ha descrito anteriormente para el indicador «B». Ejemplo L80F50: se entiende como el momento en el que se espera que el rendimiento en lúmenes de una luminaria haya descendido al 80 % del rendimiento inicial para el 50 % de la población. L70F10: se entiende como el momento en el que se espera que el rendimiento en lúmenes de una luminaria haya descendido al 70 % del rendimiento inicial para el 10 % de la población.

LED y normas

En el primer ejemplo, es muy probable que el nivel de luz promedio de una instalación de alumbrado se aproxime al 80 % del nivel inicial, mientras que en el segundo ejemplo es muy probable que el promedio de la instalación de alumbrado se sitúe significativamente por encima del 70 % del nivel inicial, puesto que se prevé que tan solo el 10 % de las luminarias se sitúen en o por debajo del 70 % del rendimiento inicial. Lo que estos indicadores del rendimiento no nos dicen es en qué momento se producirá esta disminución del rendimiento. La norma IEC establece que la información sobre el rendimiento debe incluir una línea cronológica: la vida nominal. Mediante este tercer elemento informativo, el comprador o especificador puede predecir el momento estimado en que se prevé que un grupo de luminarias no alcance el rendimiento declarado en términos de mantenimiento de lúmenes para la instalación.

Carandini también publicará la vida nominal del driver junto con una fracción de fallo. La vida útil se relacionará con una temperatura ambiente especificada que se determinará a partir de los resultados del ensayo térmico. Por ejemplo, mientras que la temperatura ambiente admisible máxima (Ta) para un producto sea de 35 °C, en el caso de luminarias para exteriores podemos esperar temperaturas ambientales nocturnas máximas de 20 °C (Tq) o inferiores en Europa del Norte. Por consiguiente, los datos relativos a la temperatura de 35 °C son muy pesimistas. De hecho, si se calcula la vida útil a partir de la temperatura más baja en este ejemplo, podemos esperar que la vida proyectada del DRIVER se duplique.

La información requerida por la norma no se detiene aquí. Sugiere seis indicadores de rendimiento posibles: L70, L80 o L90 y F10 o F50. Carandini espera publicar los seis indicadores con la vida nominal para cada uno de ellos, de modo que podamos ser comparados de igual a igual con cualquier otro fabricante que esté dispuesto a publicar sus datos de rendimiento en el formato exigido por la IEC. 29

En nuestra opinión, la relevancia de los datos relativos al número de elipses de MacAdam es cuestionable y podría ser relevante únicamente para instalaciones de alumbrado en las que la reproducción del color sea un factor primordial, por ejemplo en cosméticos, impresión en color, procesos de pintura industrial, museos y ciertos comercios minoristas de alta gama. Consulte las definiciones para obtener una explicación de las elipses de MacAdam. A continuación se muestran todos los requisitos de información sobre la luminaria que deben publicarse conforme a la norma IEC.

Datos de la luminaria

30

a

Potencia de entrada nominal

W

b

Código fotométrico de 9 dígitos

lm

c

Flujo luminoso nominal

Lxx

d

Vida nominal del módulo o la matriz LED en la luminaria

Fyy

e

Fracción de fallo, correspondiente a la vida nominal (d)

f

Código de mantenimiento de lúmenes (≥90 % = 9 ≥80 % = 8 ≥70 % = 7)

g

Coordenadas de cromaticidad nominal. Valores para cromaticidad inicial y para cromaticidad mantenida

h

Temperatura de color correlativa (TCC)

i

Índice de replicación cromática nominal (IRC)

°K

j

Temperatura ambiente para la luminaria (Tq). Eficacia de la luminaria LED

k

Eficacia de la luminaria LED

lm/w

°C

l

Tiempo de envejecimiento, si es diferente a 0 h

horas

LED y normas

A diferencia de la fotometría que utilizamos predominantemente hoy en día, que es la fotometría relativa (en relación con el rendimiento en lúmenes de la fuente de luz al descubierto), la fotometría LED es absoluta. No podemos comparar el rendimiento en lúmenes de una luminaria con el de los LED desnudos. El rendimiento lumínico de los LED con una corriente de alimentación dada, a diferencia de las fuentes de descarga y fluorescentes, viene determinado por los atributos físicos de la luminaria.

Fotometría Los factores clave son el material de la PCI y el diseño del disipador utilizado para mantener la correspondencia entre la temperatura del LED y la longevidad. En la fotometría convencional, cabría esperar que los lúmenes de la «lámpara desnuda», requeridos para la fotometría relativa, coincidan entre luminarias que utilicen la misma fuente de luz desnuda. Si bien es posible energizar un solo LED, hacerlo durante más de unos pocos milisegundos destruirá el LED. El LED debe montarse sobre una PCI, la cual suele estar fijada a un disipador. Puesto que las variaciones tanto del tipo de PCI como del disipador afectan al rendimiento del LED, no es posible determinar sistemáticamente entre las luminarias y los circuitos los lúmenes de la lámpara desnuda necesarios para la fotometría relativa. La fotometría absoluta será exacta y puede utilizarse para diseñar proyectos de alumbrado de la manera acostumbrada. La única diferencia radica en que el archivo fotométrico arrojará una eficiencia del 100 %, la cual debería ignorarse.

31

¿Por qué proteger contra sobretensiones transitorias?

E-protec La nuevas tecnologías en Drivers LED y equipos electrónicos necesitan de un refuerzo para la protección de estos dispositivos delante de sobretensiones transitorias y permanentes. El objetivo de este dispositivo es salvaguardar la inversión realizada de esta tecnología y asegurar el máximo de vida útil delante de cualquier elemento atmosférico/eléctrico que perjudique el equipo electrónico/Driver Carandini ofrece esta protección que garantiza mediante un elemento de refuerzo la garantía en sus luminarias LED o descarga mediante la incorporación de un dispositivo de protección de los Drives / Equipos electrónicos, nuestra intención es entregar un producto que incorpore los máximos estándares de seguridad para que se cumplan las expectativas de vida.

32

Porque ensayos realizados en el laboratorio de Carandini de acuerdo con las normas internacionales: · IEC 61643-1 “Surge protective devices connected to low-voltage ower distribution systems” · IEC 60364-4-44 “Protection for safety – Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances” han demostrado la efectividad del protector para evitar la destrucción del equipo/driver ante sobretensiones transitorias de hasta 10 kA en onda 8/20 (sobretensiones inducidas y conducidas). El dispositivo E-protect se instala en la entrada de corriente de la luminaria y actúa como protección delante del equipo / Driver así como del módulo LED. Porque un porcentaje elevado de los cuadros de alumbrado público existentes en España no incorporan protección contra sobretensiones y porque se debe proteger la línea aguas arriba, así como cada producto en particular. Independientemente de cualquier consejo que pueda ofrecer Carandini, la protección del circuito debe ser la responsabilidad del ingeniero o instalador eléctrico desde un punto de vista contractual y de seguridad.

33

Puede que en los últimos años haya visto u oído algunas garantías extraordinarias para LED. Le aconsejamos que estudie con cautela todas las garantías ofrecidas, incluidas las de Carandini. Los ensayos realizados por la mayoría de fabricantes de LED con sus productos de alto rendimiento no han ido más allá de las 10.000 horas.

Garantías Los ensayos por parte de los fabricantes de LED se llevarán a cabo en condiciones de laboratorio, tal como se especifica en la norma IES/ LM80 de ensayos de mantenimiento de lúmenes. Desgraciadamente, debido a la rápida evolución de los LED, los ensayos deben reiniciarse periódicamente. Por definición, las garantías que vayan más allá de la duración de los ensayos son proyecciones. Cuanto más se alejen de la duración del ensayo, tanto mayor será la incertidumbre. Esto es atribuible a las diferencias entre las luminarias instaladas en el «mundo real» y los LED ensayados en condiciones de laboratorio. Con ello no queremos decir que las garantías basadas en proyecciones de la vida útil de los LED carezcan de validez. Sin embargo, deben ponderarse con los resultados de los ensayos con luminarias y la experiencia. En nuestra opinión, puede tener mayor confianza en las garantías que vayan acompañadas de los datos y la información IES previamente discutidos en el manual. Estos datos ponen de manifiesto el compromiso de fabricar un producto de calidad, plenamente ensayado, resultando en un base sólida para ofrecer una garantía realista. 36

Todos los productos LED de Carandini cuentan con garantías específicas que reflejan el rendimiento térmico y eléctrico del producto a la temperatura ambiente máxima especificada.

Desde Carandini esperamos haberle aclarado algunos aspectos del mundo de los LED y las luminarias LED, y que estas explicaciones le permitan tomar decisiones más informadas en su desempeño profesional. Como ya se ha señalado, el mundo de los LED y las luminarias LED «profesionales» se halla en estado de continua evolución y desarrollo, y creemos que esta situación se prolongará durante algún tiempo.

Conclusiones En este contexto, si bien se ha dedicado el mayor esmero a la publicación de este manual con información actual, es posible que en algunos aspectos haya quedado obsoleto a causa de nuevos avances en la tecnología LED. En cualquier caso, haremos todo lo posible por actualizar el manual a medida que se disponga de nueva información acerca de esta tecnología. Carandini

37

Horas de encendido anuales

Horas de encendido/año (52 semanas)

Apéndice A

Horas al día

5 días semana

Semana de Semana de 6 días 7 días

8

2080

2496

2912

10

2600

3120

3640

12

3120

3744

4368

14

3640

4368

5096

16

4160

4992

5824

18

4680

5616

6552

20

5200

6240

7280

22

7520

6864

8008

24

6240

7488

8736

Documento de «apoyo» sobre relaciones E/F Introduzca «Lighting Research Centre» o «LRC» en un buscador. Acceda al sitio y busque «S/P». El documento requerido es «Outdoor Lighting: Visual Efficacy» Documentos informativos 1. Directrices de especificación de productos de iluminación LED. 2. IEC/PAS 62722-2-1 Rendimiento de la luminaria para luminarias LED. 3. IEC/PAS 62717 Módulos LED para iluminación, requisitos de rendimiento 4. IESNA TM21 5. IESNA LM-80 38

Carandini Simplificando la tecnología LED Copyright © 2013 Carandini. Todos los derechos reservados.

Aumentar luz reducir energía C. & G. CARANDINI, S.A. Carrerada – Verneda E-08107 Martorelles Barcelona (Spain) Tel.: +34 933 174 008 Fax: +34 933 171 890 [email protected] Para más información, descargas de fichas técnicas, hojas de instrucciones, etc., consultar nuestra Web www.carandini.com C. & G. Carandini, S.A. se reserva el derecho de introducir cualquier modificación del producto sin previo aviso. C. & G. Carandini, S.A. FL-