SISTEMAS DE ILUMINACION LED VENTAJAS Y DESVENTAJAS Leopoldo Rodríguez Rübke

Luz • Es una onda electromagnética que sensibiliza la retina de un ser humano.

Sensibilidad a la luz

Cómo se genera la luz • Se produce por el paso de un electrón, desde un cierto nivel energético a otro menor. La frecuencia del fotón generado es proporcional a la diferencia entre ambos niveles energéticos. Es costumbre usar la longitud de onda en lugar de la frecuencia. λ=c/f • En un diodo LED, cuando un electrón se recombina al cruzar la juntura, se genera un fotón.

Cantidad de Luz

 Lm   Lum  683 W   V ( ) P( )d 

Eficacia Luminosa • La potencia óptica radiada por una fuente de luz es: P  P( )d



• La Eficacia Luminosa es:

  Lm V ( ) P( )d  683   lum   W   P     P( )d   

• 1W radiado en 555nm producirá 683 Lúmenes de luz, es decir una eficacia luminosa de 683 Lm/W

Eficiencia Luminosa.. Es el término usado por la comunidad Luminotécnica para clasificar las fuentes de luz

Eficiencia •

 

Lu m

IV

Donde VI es la Potencia eléctrica que transforma el sistema en Luz, calor y radiación no visible.

Fuente de luz

Eficiencia Luminosa Lm/W

Lámpara de Edison 1879

1.4-5

Incandescente de Tungsteno

15-20

Tungsteno Halogenado

20-30

Lámpara Fluorescente

50-90

Mercurio de Alta Presión

50-60

Haluros Metálicos

80-125

Sodio de Alta Presión

100-140

De qué color se percibe la luz • Tenemos tres tipos de fotoreceptores sensibles al color y que son sensibles al Rojo, Verde y Azul. La curva de sensibilidad de cada uno de ellos se llama X,Y,Z, respectivamente.

Coordenadas Tricromáticas • Al evaluar el espectro emitido por un iluminante o reflejado por un objeto, según las curvas de sensibilidad tricromática se obtienen tres potencias que nos evocan la sensación de Rojo Verde y Azul, X,Y,Z, si se obtiene la fracción del total de luz que se emite en cada color, se obtienen las coordenadas tricromáticas de ese espectro. X Y Z x ;y  ;z  X Y  Z X Y  Z X Y  Z

x  y  z 1

Diagrama tricromático CIE 1931 • Como x + y + z = 1, basta con conocer x e y, ya que z queda determinada por ellos, por lo que se representan los espectros visibles en un sistema de coordenadas x, y, llamado “espacio de color”.

¿De qué color se percibe un objeto iluminado? • El color de un objeto iluminado dependerá de su factor de reflexión espectral y del espectro del iluminante. • El iluminante se caracteriza en su capacidad de reproducir los colores por su Índice de Rendimiento de Color (CRI), que va de 0 a 100, el estándar D65 es incandescente y tiene un CRI de 100.

Luz Blanca • Se considera que una luz es blanca cuando sus coordenadas tricromáticas se encuentran alrededor de 1/3,1/3,1/3.

¿Cómo es la luz generada por el LED simple? • La luz generada por un diodo LED está muy cercana a ser monocromática. • La luz generada por un LED es muy dependiente en su espectro y eficacia de la temperatura de juntura.

¿Qué ventajas presenta esta característica? • El hecho de ser un emisor cuasi monocromático permitiría lograr muy altas eficacias luminosas.

Color

λ(nm)

Color

λ(nm)

U.V.

720

• Para ser usado en señalización presenta ventajas de tamaño y duración, su rendimiento de color es irrelevante. Un campo de especial interés se presenta en el diseño de semáforos. • Permite la construcción de pantallas de representación visual, de gran tamaño. • Permite el diseño de sistemas de iluminación especiales, para uso en agricultura, acuicultura y pesca. • Presenta gran utilidad en el tratamiento de polímeros en odontología. • Ha presentado excelentes resultados en el tratamiento de las depresiones estacionales.

¿Qué desventajas presenta? • Debido a ser cuasi monocromático no se puede usar como iluminante general. • Requiere un sistema de alimentación eléctrico que entregue corriente constante, el cual no es de bajo costo. • Requiere sistemas de disipación de calor adecuados debido a ser poco eficiente y sus características son muy dependientes de la temperatura de juntura.

Luz Blanca • Una aplicación muy interesante para el LED es en la iluminación general de casas y oficinas y para esto deben presentar : • Alta eficiencia • Alta capacidad de disipación • Buen Índice de Rendimiento de Color (CRI) • Alta confiabilidad • Bajo costo de fabricación • Amable con el medio ambiente

¿Cómo lograrlo? • Se puede obtener luz blanca a partir de emisores monocromáticos mediante la confección de emisores • Dicromáticos • Tricromáticos • Tetracromáticos

• Combinando dos fuentes cuasi monocromáticas es posible lograr luz blanca de este emisor dicromático.

• Combinando tres fuentes cuasi monocromáticas se tiene una fuente tricromática. • La Eficiencia de esta fuente es de 32Lm/W (Chhajed et al, J. App.Phys, 97,054506 (2005). O sea un 10% de la energía eléctrica se transforma en luz.

• Al combinar 4 o 5 fuentes se tiene un emisor tetra o pentacromático, tienen un CRI muy alto pero menor eficacia que los otros emisores.

• Si se toma parte o toda la radiación proveniente de un LED y se usa para estimular uno o varios tipos de fósforos es posible obtener luz blanca.

• En la conversión de longitud de onda se presenta una pérdida que es intrínseca al fenómeno, es la llamada eficiencia cuántica externa, la que relaciona los fotones emitidos por el fósforo con respecto a los que absorbe.

• Debido a esta pérdida, estos emisores tienen una eficacia menor que aquellos basados en dos o más emisores cuasi monocromáticos, aún cuando en general presentan ventajas semejantes .

• Ventajas de uno u otro tipo de LED • Se puede lograr una buena reproducción de colores y buena eficiencia, dependiendo del sistema de alimentación usado. • El de mayor eficacia es el dicromático, aunque mejora el CRI con el número de fuentes usadas, empeorando la eficacia.

• Reemplaza con ventajas a las lámparas Incandescentes dicroicas, para ser usadas en iluminación decorativa, puntual y de acento, así como en detalles sutiles en paisajismo. • Permite emitir una vasta gama de colores al usar LED monocromáticos agrupados adecuadamente y con un buen control.

• Puede reemplazar, en algunos casos, a las lámpara fluorescentes compactas, dependiendo de la luminaria.

• En algunas aplicaciones podría reemplazar a las lámpara fluorescentes.

• Al poder emitir su flujo luminoso en un ángulo muy pequeño, permite conseguir iluminaciones puntuales adecuadas para se usadas en linternas y otros medios de iluminación portatil. • Con una alimentación conmutada adecuadamente para disminuir la generación de calor se usan en exploración médica de última generación.

Uso en Alumbrado Público • Una buena luminaria de alumbrado público es aquella que coloca la mayor parte del flujo luminoso de lámpara sobre la calzada, de manera uniforme y permitiendo el mayor distanciamiento entre postes. • Para cautelar esto las luminarias a ser usadas en alumbrado público se clasifican según como distribuyen la luz sobre la calzada.

Rendimiento Calzada: 43.31% Rendimiento Vereda : 41.33% Pe= 155W, 4 Módulos de 28 LED Tipo: I, Corta, semicutoff

Rendimiento Calzada: 41.6% Rendimiento Vereda : 44.8% Pe= 120W, 4 LED incorporados en óptica Tipo: I, Corta, Cutoff

Rendimiento Calzada: 63.9% Rendimiento Vereda : 27.7% Pe=125W, 5 módulos de 20 LED cada uno Tipo: III, Corta, Cutoff

• Las luminarias LED para alumbrado público que han llegado a Chile, sólo sirven para ser usadas en paseos peatonales y plazas, teniendo en consideración que serán más caras que las luminarias tradicionales, para igual espaciamiento y que estas son más eficientes energéticamente, ya sea con lámpara de Haluro metálico o de Sodio de alta presión. • El problema de la disipación de calor es bastante crítico en ellas. • Al ser todas cortas, hay que usar más luminarias por Km que con luminarias convencionales y con mayor costo. • Su eficiencia es menor que la de lámpara convencionales. • Su larga vida es dependiente del diseño, estabilidad y construcción del equipo eléctrico que lo alimente. Un equipo mal diseñado puede hacer que la eficiencia caiga mucho, además de crear problemas adicionales de temperatura y color.

Conclusiones • Los LED como elementos iluminantes están en plena etapa de desarrollo, siendo una tecnología emergente que presenta grandes desafíos, que entrega soluciones interesantes a diversas situaciones lumínicas y promete ser una buena solución cuando se hayan solucionado los actuales problemas ópticos y eléctricos que presenta.

Bibliografía • J.Light & Visual Environment. Vol 32, Nº2, 2008 • IESNA Handbook 8th Edition.