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

dPVW

Lm

Lum)()(683

Eficacia Luminosa • La potencia óptica radiada por una fuente de

luz es:

• La Eficacia Luminosa es:

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

dPP )(

dP

dPVW

Lm

P

lum

)(

)()(683

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

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

IVEficiencia Lum

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.

ZYX

Zz

ZYX

Yy

ZYX

Xx

;;

1 zyx

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)

U.V. <390

Violeta 390-455

Azul 455-490

Cián 490-515

Verde 515-570

Color λ(nm)

Amarillo 570-600

Ámbar 590-600

Naranja 600-625

Rojo 625-720

I.R. >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.