DOSSIER LED UNA NUEVA FUENTE DE ILUMINACIÓN

Transcripción

1 DOSSIER LED UNA NUEVA FUENTE DE ILUMINACIÓN Quinta edición, octubre de 2014

2 Introducción Los ledes se están imponiendo de forma indiscutible en el sector de la iluminación. A medida que la tecnología alcanza gradualmente su fase de madurez, nuestros conocimientos sobre la vida útil, los materiales y las propiedades de los ledes van creciendo día a día. Como siempre, este documento le ofrece toda la información necesaria para mantenerse al día en este campo tan complejo. Quiere saber cuál es la diferencia entre los ledes de baja potencia, los de alta potencia y la tecnología chip-on-board? Le interesa saber cuáles son las obligaciones legales vigentes en materia de documentación de los sistemas de iluminación led? Quiere saber cuáles son las consecuencias de sobredimensionar su instalación led y cómo evitarlas? La quinta edición de este dossier led le ofrece respuestas a estas y a otras muchas preguntas. En el margen se señalan las actualizaciones más recientes del documento. Siempre puede consultar la última versión del informe de led en nuestro sitio web: Quinta edición, octubre de , ETAP 2 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

3 UNA NUEVA FUENTE DE ILUMINACIÓN ÍNDICE 1. El led como fuente luminosa Cómo funcionan los ledes? Fuentes de luz led Ventajas de los ledes Fabricantes de led El futuro de los ledes OLED: una nueva manera de iluminar Diseño de luminarias de led Posibilidades y desafíos Distribución adecuada de la luz Luminancia controlada Diseño térmico bien planificado Agrupamiento para una calidad luminosa constante Seguridad eléctrica Publicación de los datos correctos Información sobre calidad objetiva La seguridad fotobiológica Tubos de led Controladores de luminarias de led Criterios de calidad de los controladores Fuentes de corriente frente a fuentes de tensión Iluminación con led aspectos fotométricos Factor de depreciación y de mantenimiento Integración de sistemas de ahorro de energía Preguntas y respuestas...40 Terminología...41 Anexo 1: Factores de mantenimiento de los productos led...42 Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 3 ETAP

4 Sección 1: El led como fuente luminosa 1. CÓMO FUNCIONAN LOS LEDES? Led significa Light Emitting Diode, o diodo emisor de luz. Un led es un semiconductor (diodo) que emite luz cuando pasa corriente a través de él. Los materiales semiconductores que se emplean en los ledes convierten la energía eléctrica en radiación electromagnética visible; es decir, en luz. Luz visible El estímulo consiste en una corriente eléctrica que atraviesa el diodo (o, para ser más exactos, la unión). Todos los diodos son unidireccionales: solo se produce luz cuando pasa corriente continua en el sentido correcto, es decir, del ánodo (polo positivo) al cátodo (polo negativo). Flujo de corriente continua Ánodo (+) Cátodo (-) Fig. 1: Funcionamiento de un led La cantidad de luz generada es casi proporcional a la cantidad de corriente que fluye a través del diodo. A efectos de iluminación, el suministro siempre está controlado por la corriente ( corriente constante ), véase la sección 3. Flujo luminoso normalizado Corriente directa (ma) Fig. 2: Impacto de la corriente en el flujo luminoso La combinación de un led (semiconductor), una carcasa y una óptica primaria es lo que se conoce como un componente led. Este componente led cubre y protege el led, garantiza la disipación del calor generado internamente e incluye un sistema de óptica primaria, es decir, una pequeña lente que recoge y emite la luz generada por el led en un patrón definido. Óptica primaria Unión Led Cable eléctrico Soporte Fig. 3: Estructura de un componente de led 4 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

5 El led emite luz monocromática. El color de la luz depende de los materiales empleados para producirla. Se puede generar luz led en todos los colores saturados del espectro visible, desde el violeta y el azul hasta el rojo, pasando por el verde. La luz blanca puede conseguirse del modo siguiente: 1. Bicromatismo - La forma más común consiste en combinar un led azul con un material luminiscente (emisor de luz), que convierte parte de la luz azul en luz blanca (o, mejor dicho, amarilla ). La composición de este material luminiscente determina la temperatura de color de la luz resultante (para más información sobre la temperatura de color, véase más adelante en esta sección). 2. Tricromatismo: - Mezclando luces de color rojo, verde y azul (RGB). - Mediante combinaciones de ledes blancos del tipo descrito en el punto 1 con led de color rojo o ámbar. Esta opción permite producir distintas temperaturas de color con un único módulo. UPDATE 2. FUENTES DE LUZ LED Las fuentes luminosas led se aplican de distintas formas. De acuerdo con la norma internacional CEI 62504/CIE TC 2-66 ( LED y módulos LED. Términos y definiciones ), se puede distinguir entre los siguientes niveles de integración: 1. Paquete led o componente led. Componente individual consistente en uno o más chips led, con o sin óptica e interfaces térmicas, mecánicas o eléctricas. Por ejemplo Componente led Cree XP-G Componente led Bridgelux 2. Módulo led. Un módulo led está formado por varios componentes led montados sobre una placa de circuito impreso, con o sin electrónica integrada. Por ejemplo 3. Lámparas led. Se trata de un módulo led unido a un casquillo de lámpara. Por ejemplo UM2 PCB (ETAP) Lámpara tubular TG Foco TG Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 5 ETAP

6 UPDATE 4. LED light engine Consiste en un módulo o lámpara led al que se acopla un driver y que puede conectarse directamente a la tensión de red. Por ejemplo Osram prevaled A la hora de diseñar una luminaria led, los fabricantes de productos de iluminación seleccionan uno de estos cuatro niveles de integración. El nivel 1 ofrece la máxima libertad en términos de control creativo, tanto en lo que respecta al diseño como a las prestaciones y la fotometría. En cambio, trabajar con los niveles 3 o 4 ofrece otras ventajas, como la capacidad logística del proveedor y, en muchos casos, un menor precio de coste. Para cada una de sus series, ETAP selecciona el nivel más adecuado en función del resultado final deseado. 2. Módulo led 1. Paquete led 4. LED light engine 3. Lámpara led Luminaria led En la mayoría de los casos (por ejemplo, en las luminarias LED+LENS TM o en las series R8 y UM2), ETAP desarrolla LED light engines a partir de componentes led. En nuestros downlights led con reflector secundario convencional (D1, 2 y 3), empleamos módulos led con driver; es decir, un motor de iluminación led ya preparado. Formas de construcción de los paquetes led Dentro de la categoría de paquetes led diferenciamos tres formas de construcción, en función de la potencia: - Ledes de baja potencia ( 1 W) - Ledes de alta potencia (1-10 W) - Chip-on-board (5-50 W) Fig. 4: Formas de construcción led (de izquierda a derecha): carcasa de plástico, sustrato cerámico, chip-on-board En el caso de los ledes de baja potencia (figura 4 - izquierda), el chip led se suele situar en el llamado marco de conexión (ver figura 5), alrededor del cual se monta una carcasa de plástico. La cavidad central se rellena con una capa de silicona que contiene fósforo. En esta construcción, tanto el marco de conexión como la carcasa actúan como reflectores de una parte de la luz emitida. Esta también es la razón por la cual las propiedades ópticas entre otras, la potencia reflectora y el envejecimiento del material contribuyen al mantenimiento del nivel de iluminación a largo plazo: cuanto mejor mantenga el material sus propiedades reflectantes, menor será la depreciación. La selección del plástico 6 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

7 UPDATE PARTE SUPERIOR carcasa de plástico PARTE INFERIOR disipación de calor marco de conexión contactos eléctricos disipación de calor y reflexión (opcional) Fig. 5: Marco de conexión led con carcasa de plástico (ledes de baja potencia) se realiza en función de las propiedades ópticas, si bien también se tiene en cuenta el coste y la facilidad de procesamiento. Los materiales que más comúnmente se utilizan en la carcasa son termoplásticos como PPA (poliftalamida) y PCT (tereftalato de policiclohexilenodimetileno), así como materiales termoestables como el EMC y, en algunos casos, incluso siliconas. La mayoría de los ledes de alta potencia (figura 4 - centro) incorporan un chip led montado sobre un sustrato cerámico. Sobre este sustrato se coloca una capa de fósforo y una óptica primaria, normalmente de silicona. Esta forma de construcción presenta las siguientes propiedades: - Buena disipación del calor de la PCB (resistencia térmica interna más baja) - Emisión directa de luz, con escasa reflexión - Buena estabilidad del color, en todo el ángulo de emisión lentes de silicona chip led soldaduras de hilos Sustrato cerámico contactos eléctricos disipación de calor Fig. 6: Montaje de un led de alta potencia Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 7 ETAP

8 UPDATE En la tecnología chip-on-board o COB (figura 4 - derecha) se colocan varios chips juntos sobre un sustrato y se conectan eléctricamente entre sí. Encima de ellos se coloca una capa de cobertura de silicona con fósforo. Normalmente, el sustrato consiste en un material cerámico o en aluminio altamente reflectante (pulido). ABIERTO CERRADO sustrato (cerámico o aluminio) soldaduras de hilos conexión eléctrica chips led capa reflectante silicona + fósforo barrera Fig. 7: Estructura de la tecnología Chip-on-board La evolución de las propiedades ópticas a lo largo del tiempo bajo la influencia de la luz y del calor influye considerablemente en el factor de mantenimiento de los ledes. La estabilidad es óptima para los componentes de alta potencia (por ejemplo, alta potencia y COB) y se reduce en el caso de los ledes de baja potencia de plástico. Pero si se cuenta con un diseño innovador, los ledes de baja potencia también ofrecen buenos resultados. 8 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

9 3. VENTAJAS DE LOS LEDES Aplicaciones ETAP con ledes de alta potencia VENTAJA 1: VIDA ÚTIL PROLONGADA Ledes de baja potencia La vida útil de los ledes depende en gran medida de las condiciones de uso específicas; entre ellas, las más importantes son la potencia y la temperatura interna (y, por consiguiente, la temperatura ambiente). Hoy en día, a un led de calidad se le presupone una vida útil de horas. Se entiende que este es el periodo en el que, de media, el flujo luminoso cae hasta el 70% de su valor inicial (ver el cuadro sobre MTTF). Esta vida útil es alcanzable siempre y cuando el LED se emplee dentro de sus límites de temperatura establecidos (normalmente entre 80 y 85 C). Si se emplean los ledes y el diseño adecuados, esta cifra puede ser considerablemente mayor (véase sección 4). Flujo luminoso relativo (%) Tiempo (h x 1000) Fig. 8: Depreciación del flujo luminoso con el paso del tiempo Vida útil de los ledes Al determinar la vida útil de un led es preciso distinguir entre fallo paramétrico (deterioro del rendimiento luminoso) y fallo catastrófico (el led no emite luz). Cuando los fabricantes hablan de una vida útil L70 se refieren al tiempo en el que un porcentaje específico de ledes disminuye al 70% de su flujo luminoso inicial. Este porcentaje de ledes se indica con la letra B ; así, por ejemplo B50 indica un 50%. No obstante, al determinar la vida útil, no se tienen en cuenta los ledes que pueden fallar, que se retiran de la prueba. Sin embargo, a los usuarios les importan los ledes defectuosos. Cuando se determina la vida útil teniendo en cuenta los ledes que fallan, se hace referencia a una vida útil F, que normalmente será inferior a la vida útil B. Por ejemplo, L70F10 indica el periodo en el que un 10% disminuye a menos del 70% del flujo luminoso inicial o falla por cualquier motivo. Las normas y recomendaciones internacionales promoverán cada vez más e incluso terminarán por imponer la definición F para la vida útil de los ledes. ETAP no especifica para sus luminarias un valor L70/B50 por la sencilla de razón de que este valor no es aplicable a los estudios de iluminación. Nuestro punto de partida es una especificación de horas de funcionamiento (específica de cada proyecto) a partir de la cual calculamos el mantenimiento de lúmenes. En las aplicaciones de oficina e industriales, los valores estándar son y horas de funcionamiento, respectivamente (ver también el anexo 1). Los ledes tienen una vida útil más larga, pero son sensibles a las tensiones térmicas cíclicas y a las influencias químicas y electrostáticas. Por eso, los circuitos led solo deben tocarse con la protección de una conexión a tierra adecuada. Debe evitarse la conexión directa de led con un cable conductor. Una subida de tensión puede destruir por completo un led. Halógeno Fluorescente compacto H.I.D. compacta (CDM-T) Vapor de mercurio a alta presión (H.I.D.) Fluorescente lineal Led * horas Tiempo de funcionamiento (Kh) LED = 18x Cree XP-G2 350 ma B50/L Temperatura en la unión del led - Tj ( C) Fig. 9: Valores típicos para la vida útil (simplificación) Fig. 10: Influencia de la temperatura de unión en la vida útil * Basado en datos de medición de, como mínimo, h (TM-21) Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 9 ETAP

10 Ventaja 2: Posibilidad de alta eficiencia energética UPDATE Actualmente los ledes en blanco frío con una temperatura de color de 5000 K (grados Kelvin) alcanzan más de 160 lm/w en las condiciones de referencia. Los ledes con temperaturas de color inferiores de entre 2700 y 4000 K (los que se utilizan mayoritariamente en soluciones de iluminación en Europa) suelen tener una menor eficiencia. Para estas temperaturas de color, actualmente se encuentran disponibles eficiencias de 120 lm/w y superiores. 140 U7/R7 ( a gen.) Esta curva se basa en el rendimiento real de los ledes R8 en aplicaciones concretas y puede diferir de los datos 100 UM2 publicados por el fabricante como consecuencia U7/R7 (1. 80 a gen.) del control eléctrico y del comportamiento térmico D4 (2. a gen.) específicos del producto. 60 Eficacia (lm/w) 40 D4 (1. a gen) Fig. 11: Evolución del flujo luminoso específico de las luminarias led a 3000 K con indicación de algunos productos de ETAP, a la temperatura en la unión en condiciones normales de uso (lúmenes calientes) Eficacia: lm/w Los datos indicados se siguen expresando en lm/w (lúmenes por vatio) de la lámpara (como en la iluminación fluorescente convencional) en unas condiciones de referencia (con una temperatura en la unión Tj de 25 C para los ledes). En condiciones de uso reales, la eficiencia es inferior. La eficiencia que ofrece la luminaria es aún menor. Para ilustrarlo veamos el ejemplo de R7 con led: Led medido en prueba de impulsos, a 85, comparable a condiciones reales Led con controlador (90%) Luminaria de led (óptica y lente incluidas) 128 lm/w 118 lm/w 110 lm/w lumen/watt Fig. 12: R7 A modo de comparación: luminaria con reflector U5 con una lámpara fluorescente x 32 W T5 High Output ECO (a 35 C) Lámpara fluorescente con balasto (90%) Luminaria con lámpara fluorescente (reflector HRSilver TM incluido) 89 lm/w 87 lm/w 111 lm/w lumen/watt Fig. 13: Luminaria con reflector U5 10 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

11 Los ledes con una temperatura de color más alta, y por tanto con una luz más fría, ofrecen un nivel de eficiencia superior que los mismos ledes con temperaturas de color más bajas. El material luminiscente utilizado para crear el blanco cálido contiene más rojo y el rendimiento de este componente rojo es inferior al del amarillo. Por eso, el rendimiento general del led es menor. A modo de comparación: Led Lámparas de halogenuro metálico Lámparas fluorescentes Lámparas de vapor de mercurio a alta presión Lámparas incandescentes halógenas de baja tensión Lámparas incandescentes lumem/w Fig. 14: Valores típicos para la eficiencia de fuentes luminosas Ventaja 3: Reproducción de colores de alta calidad, elección de la temperatura de color Temperatura de color La temperatura de color de una fuente luminosa de luz blanca se define como la temperatura de un cuerpo negro para la cual la luz emitida produce la misma impresión de color que la fuente luminosa. La temperatura de color se expresa en grados kelvin (K). La luz azulada tiene una temperatura de color más alta y parece más fría que la luz con una temperatura de color más baja. Existen varias subdivisiones y designaciones, cada una de ellas con su referencia a temperaturas de color reconocibles. En los ledes RGB de luz blanca (por combinación de rojo, verde y azul) son posibles todas las temperaturas de color, aunque el control a largo 10,000 9,000 8,000 7,000 Luz desde el norte (ciel azul) Luz natural, cielo cubierto y Chip Blue de Led led chip azul Fósforo Phosphor K K Fósforo Phosphor K K 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 Luz natural de mediodia Luz solar directa Lámparas electrónicas de destello Bombillas de iluminacion residencial Luz del amanecer Luz de tungsteno Luz de vela T c ( K) x Fig. 15: Indicación de temperatura de color Fig. 16: Principio de generación de la luz blanca por medio de material luminiscente plazo es complicado porque los tres colores tienen una dependencia de la temperatura distinta. Por eso se emplea con menos frecuencia en iluminación. En los ledes con conversión por material luminiscente, la temperatura de color viene dada, por una parte, por la elección del material luminiscente. Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 11 ETAP

12 Qué hay del alumbrado de emergencia? Para el alumbrado de emergencia, ETAP opta decididamente por las altas temperaturas de color. Las lámparas led con altas temperaturas de color son energéticamente más eficientes, y por tanto las baterías requieren menos energía. Además, el ojo humano es más sensible a la luz azulada a bajos niveles lumínicos. Reproducción de los colores El CRI (Color Rendering Index) o índice de reproducción de los colores de una fuente luminosa refleja la calidad de reproducción de los colores de los objetos iluminados por la fuente luminosa. Para obtener este índice, se compara la reproducción de los colores de los objetos iluminados por la fuente luminosa con la reproducción de los colores de esos mismos objetos iluminados por un reflector negro (con la misma temperatura de color).la reproducción de los colores de los ledes se compara con la de las lámparas fluorescentes y, en función de la temperatura de color, fluctúa entre 60 y 98. Para las aplicaciones de iluminación convencionales en blanco cálido o blanco neutro, ETAP emplea por ledes con una reproducción de colores de 80 (de acuerdo con EN ). En los sistemas de alumbrado de emergencia alimentados por baterías, la eficiencia es más importante que la reproducción del color (solo se requiere una reproducción de colores mínima de 40). Por eso, para el alumbrado de emergencia utilizamos ledes de alto rendimiento en blanco frío con una reproducción de los colores de aproximadamente 60. En los ledes blancos con conversión por material luminiscente, la reproducción de los colores también depende de la elección del material luminiscente (fósforo). En la combinación de colores RGB, se mezclan los tres colores básicos saturados y se pueden obtener excelentes reproducciones de color. Pero incluso en este caso, el control es más complejo. A modo de comparación: Fluorescente: Ra entre 60 y 98 Led: Ra entre 60 y 98 Lámpara incandescente: Ra de 100 CDM: Ra entre 80 y 95 Lámpara de sodio: Ra de 0 Ventaja 4: Rendimiento estable en todo el intervalo de temperatura En comparación con las lámparas fluorescentes, los ledes son menos sensibles a la temperatura ambiente. El flujo luminoso de las lámparas fluorescentes decae drásticamente a temperaturas ambiente por encima o por debajo de 25 C; en cambio, los ledes solo exhiben una reducción gradual a temperaturas ambiente más altas. Eso supone una ventaja notable en entornos con temperaturas inusuales (por encima o por debajo de 25 C) o que están sometidos a variaciones importantes de temperatura (por ejemplo, en la industria). Con todo, eso no resta importancia al diseño térmico: un control de temperatura bien pensado es fundamental para que la vida útil y el rendimiento luminoso sean máximos (ver también el capítulo 2.4). Flujo luminoso relativo % 115,0 110,0 105,0 100,0 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0-30,0-25,0-20,0-15,0-10,0-5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 Temperatura ambiente C Lámpara fluorescente LED Fig. 17: Influencia de la temperatura ambiente en el flujo luminoso relativo 12 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

13 Ventaja 5: Eficiencia luminosa inmediata desde el mismo momento del encendido Las lámparas fluorescentes no emiten inmediatamente todo su flujo luminoso desde el momento en que se encienden. En contraste, los ledes reaccionan inmediatamente a los cambios en el suministro eléctrico. Una vez encendidos, alcanzan en un instante su flujo luminoso máximo, con lo que son sumamente adecuados para aplicaciones con encendidos y apagados frecuentes, sobe todo si la luz se utiliza solo durante breves espacios de tiempo. Esto también ocurre a temperaturas ambiente bajas, en las que incluso funcionan mejor. Esta ventaja se aprecia, por ejemplo, en las luminarias E1 con led para aplicaciones de ultracongelación. Además, los ledes - a diferencia de las lámparas CDM, por ejemplo - pueden volver a encenderse sin problemas aunque aún estén calientes y, en la mayoría de los casos, la conmutación frecuente no repercute negativamente en la vida útil. Flujo luminoso relativo en relación a la temperatura ambiente = 20 C (%) 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 Tiempo (h:mm) E1 CON LED FLUORESCENTE E1 CON LÁMPARAS ADAPTADAS Y BALASTOS ADECUADOS PARA ENTORNOS DE BAJA TEMPERATURA FLUORESCENTE E2 CON BALASTO ADECUADO PARA ENTORNOS DE BAJA TEMPERATURA Fig. 18: Comparación del comportamiento de puesta en servicio del led vs. fluorescente a -30 Ventaja 6: Fácilmente regulables en un amplio intervalo Los ledes pueden regularse de manera eficaz en un amplio intervalo (casi desde el 0% al 100%) o controlarse de forma dinámica empleando métodos de regulación estandarizados como DALI, 1-10 V o TouchDim. En los ledes, las pérdidas asociadas al regulador en los intervalos de regulación más bajos son comparables a las de los reguladores de lámparas fluorescentes con los balastos regulables mas avanzados. Con una modulación completa, el consumo de energía residual puede bajar hasta el 10% del consumo nominal. Potencia de entrada (W) Corriente de LED (ma) Fig. 19: Efecto de la regulación en el consumo de energía En consecuencia, los ledes son muy adecuados para integrarse en entornos programados y dinámicos. Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 13 ETAP

14 Ventaja 7: Respetuosos con el medio ambiente De acuerdo con los resultados de ACV* (Análisis del Ciclo de Vida; examinan el impacto ecológico de un producto desde su producción hasta el reciclaje y procesamiento), en comparación con otras fuentes luminosas los ledes tienen potencial para que su huella ecológica sea en el futuro la más pequeña de todas. Además no contienen mercurio, a diferencia de las lámparas fluorescentes. * Evaluación de lámparas ultraeficientes, Navigant Consulting Europe, 5 de mayo de Ventaja 8: Sin radiación infrarroja ni ultravioleta El haz de luz led no contiene radiación ultravioleta (UVA) ni infrarroja (IR)*. Eso los hace muy adecuados para entornos en los que interese evitar este tipo de radiaciones, como museos, comercios con productos alimenticios o tiendas de ropa. Aunque el led en sí genera calor, lo dirige hacia su parte trasera, lejos del objeto que se desea iluminar (volveremos sobre esta cuestión más adelante véase la sección 2.4). Igualmente, el haz de luz radiado representa energía que se convierte en calor cuando se absorbe. * En cambio, la carcasa genera radiación IR (en forma de calor). 4. FABRICANTES DE LED En ETAP seleccionamos a los fabricantes con los que colaboramos en base a una serie de criterios. Los principales son el rendimiento, el precio, la documentación (datos demostrables en relación con normas válidas) y la disponibilidad a largo plazo (importante para la continuidad de nuestra producción de luminarias). ETAP trabaja con distintos proveedores, dependiendo de la plataforma, a los cuales se aplican los requisitos mencionados anteriormente. 5. EL FUTURO DE LOS LED La tecnología led está llegando gradualmente a la fase de madurez. El flujo luminoso específico de los ledes es cada vez mayor. Actualmente superan de largo a las lámparas halógenas, incandescentes y fluorescentes compactas en términos de rendimiento luminoso. En cuanto a la eficiencia y/o potencia específica, algunas luminarias de led (por ejemplo, las series U7 o R7) actuales incluso superan a las soluciones fluorescentes más eficientes. En términos generales, se puede decir que, en los años recientes, el precio del mismo paquete de lúmenes se ha reducido en un 25%, o que por el mismo precio se puede comprar un 10% más de flujo luminoso específico. Actualmente se puede esperar un límite de 200 a 240 lm/w para colores cálidos. Se siguen desarrollando nuevas tecnologías para mejorar a largo plazo la eficiencia, la calidad del color y el coste. El control del color no ha dejado de mejorar; el resultado es un agrupamiento (o binning) con tolerancias más estrechas, hasta el punto de que algunos fabricantes ofrecen un solo bin (3 SDCN). (Más información sobre el agrupamiento en la sección 2.5). 14 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

15 6. OLED: UNA NUEVA MANERA DE ILUMINAR Un OLED es un diodo orgánico emisor de luz. Como su nombre sugiere, se trata de una variante del led convencional. Si los ledes se elaboran empleando material inorgánico cristalino (por ejemplo, nitruro de galio), los OLED se basan en macromoléculas orgánicas a base de compuestos de hidrocarburos capaces de producir luz. OLED de distintas formas (por ejemplo Philips Lumiblade) Punto vs. superficie La diferencia entre el OLED y el led no reside solo en el material, sino también en la manera de iluminar. Mientras que un led es un punto de luz convencional, los OLED se utilizan para dispersar la luz por una superficie determinada. Más concretamente, las pequeñas partículas orgánicas productoras de luz se insertan en una finísima capa sobre una placa de vidrio o de otro material transparente y se enlazan a un cátodo y a un ánodo. Esta capa se ilumina cuando se aplica una corriente eléctrica entre el cátodo y al ánodo. Mediante una selección de materiales adecuada, los OLED pueden generar luz de un color determinado. placa de vidrio cátodo metálico capa orgánica ánodo transparente sustrato de vidrio luz Fig. 20: Estructura de un OLED Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 15 ETAP

16 Complementarias de los ledes Debido a esta diferencia fundamental entre el led y el OLED, ambas tecnologías son complementarias y coexistirán en el futuro. Los OLED producen una luz suave, difusa y no deslumbrante en una superficie determinada; en cambio, los ledes son perfectos para crear haces luminosos que se pueden orientar y dispersar. El hecho de que los OLED sean una fuente capaz de crear superficies de iluminación muy uniformes los hace muy adecuados para aplicaciones tales como las luminarias de señalización. También parecen muy prometedores en aplicaciones de iluminación general, como los paneles luminosos. Rendimiento La tecnología OLED se encuentra todavía en desarrollo. El rendimiento y la vida útil aún no están a la altura de los ledes. Los OLED tienen rendimientos lumínicos de 80 lm/w frente a los 160 lm/w de los ledes. En aplicaciones de señalización sí ofrecen casi las mismas prestaciones que determinados productos led porque, por su naturaleza, son mejores para estas aplicaciones. Al igual que sucede con los ledes, es de esperar que se siga produciendo avances que mejoren el rendimiento de los OLED. UPDATE Hoja de ruta de los OLED Año Flujo luminoso específico 50 lm/w 80 lm/w 120 lm/w Vida útil cd/m 2 ) h h h Luminosidad cd/m cd/m cd/m 2 Salida de lúmenes lm/m lm/m lm/m 2 Reproducción de los colores (CRI) > 90 > 92 > 95 Dimensiones máximas 120*120 mm 170*170 mm 400*400 mm Fig. 21: Rendimiento actual y previsto de los OLED (fuente: Philips) Asimismo, todas las superficies que pueden iluminarse con un único módulo OLED están también en evolución. En los aparatos de televisión, la pantalla consta de una serie de píxeles de OLED porque la resolución de la pantalla es importante. En aplicaciones de iluminación procuramos iluminar una superficie tan extensa como sea posible con un solo módulo de OLED. Las ventajas son que los podemos redireccionar fácilmente y que no hay efecto alguno de granulado. Hoy en día, ya se encuentran disponibles paneles luminosos de 15 cm x 15 cm como medida estándar. Seguramente, en un futuro será posible iluminar superficies de hasta 1 m 2. El empleo de materiales orgánicos que tienen un desgaste relativamente rápido y que son sensibles al aire y a la humedad hace que su vida útil sea relativamente limitada. Actualmente se suponen por defecto horas de funcionamiento (con una reducción de flujo luminoso del 30% y un direccionamiento continuo de cd/m 2 ). Un mayor desarrollo de los materiales utilizados, el empleo más capas protectoras y unas mejores técnicas de producción deberían aportar grandes mejoras. 16 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

17 Flexible y transparente? A día de hoy, los OLED están compuestos exclusivamente de vidrio. La investigación se concentra ahora en estudiar las posibilidades de elaborar OLED también con materiales más flexibles y, de ese modo, crear paneles de iluminación maleables. Con ello, cada superficie plana, curva o incluso elástica se convertiría en una fuente luminosa potencial. Pensemos por un momento en las paredes, los muebles, las cortinas o las prendas de ropa luminosas. Otro campo de investigación es el desarrollo de paneles OLED transparentes. Actualmente, un OLED no iluminado es una superficie reflectante. Un panel transparente podría funcionar como una ventana durante el día. Y, a medida que fuera oscureciendo, podría proporcionar una grata iluminación ambiental. Esto convierte a los OLED en una peculiar y prometedora tecnología lumínica con una cantidad casi infinita de nuevas aplicaciones. Los OLED como espejo interactivo ETAP introduce la tecnología OLED en el alumbrado de emergencia ETAP fue el primer fabricante en presentar una luminaria de señalización con tecnología OLED a finales de Por su bajo nivel luminoso y su flujo homogéneo, los OLED resultan muy idóneos para este tipo de aplicaciones. K4, serie de señalización con OLED Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 17 ETAP

18 Sección 2: Diseño de luminarias de led 1. POSIBILIDADES Y DESAFÍOS Los ledes son muy pequeños en comparación con las fuentes luminosas más tradicionales como las lámparas fluorescentes. O lo que es lo mismo, la fuente luminosa total puede distribuirse por toda la superficie, lo que permite crear luminarias más esbeltas y diseños mucho más innovadores. Sin embargo, el diseño de luminarias led plantea más de un desafío. Primero debemos seleccionar el led adecuado a la aplicación prevista. La potencia, el rendimiento luminoso, el comportamiento térmico, la vida útil, la temperatura de color y el coste son parámetros importantes que es preciso tener en cuenta. El diseño y la integración de la óptica (lentes, difusores, reflectores) garantizan una distribución de la luz según las especificaciones. La gestión térmica de las luminarias led también es importante para sus prestaciones. Y todo ello debe combinarse con un diseño atractivo. Diseño mecánico Diseño eléctrico Diseño óptico Diseño térmico Diseño cosmético Nuevas técnicas de diseño y producción 3D Fig. 22: Diseño del downlight D4 18 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

19 2. DISTRIBUCIÓN ADECUADA DE LA LUZ En su mayoría, los ledes tienen una amplia distribución luminosa y emiten luz en un ángulo de entre 80 y 140 (ángulo completo). Con ayuda de la óptica secundaria y terciaria (lentes, difusores, reflectores o combinaciones de ellos), es posible conseguir una distribución de la luz más específica. Es importante que la luz esté distribuida de forma adecuada para que la alimentación específica y, por ende, el consumo de energía de cada aplicación sean lo más bajos posibles. a. Refractores y lentes Lentes disponibles en el mercado Ejemplo: focos Flare con un pico de émision luminosa muy elevado Lentes específicas de ETAP Ejemplo de iluminación: Serie LED+LENS TM (por ejemplo, R7 con lentes de distribución extensiva) Ejemplo de alumbrado de emergencia: K9 antipánico, iluminación de distribución extensiva extrema b. Reflectores Ejemplo: D1 con módulo de led Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 19 ETAP

20 c. Difusores y láminas de tratamiento de la luz Ejemplo: UM2 con led y MesoOptics TM Ejemplo: R8 con led y difusor HaloOptics d. Edge lighting Ejemplo de iluminación: UW Ejemplo de alumbrado de emergencia: K7 20 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

21 3. LUMINANCIA CONTROLADA Paralelamente al constante aumento del rendimiento y de la potencia máxima del led, también está aumentando con rapidez la luminancia de las fuentes luminosas. Esta luminancia puede aumentar fácilmente de 10 a 100 millones cd/m 2. Cuanto más pequeña es la superficie desde la que emana la luz, mayor es la luminancia de la fuente luminosa. Algunos ejemplos de luminancias de fuentes: Fluorescente lineal - T cd/m 2 Fluorescente lineal T cd/m cd/m 2 (HE) y cd/m 2 (HO) Fluorescente compacto, ej., 26 W cd/m 2 Led desnudo de 3 W (100 lm) cd/m 2 Luz solar cd/m 2 (=10x led) Resulta evidente que hace falta un diseño óptico bien planificado para difundir de forma adecuada la luz de estas fuentes puntuales brillantes, evitar la exposición directa y reducir el deslumbramiento. Para ello, podemos utilizar lentes, reflectores y difusores. Algunos ejemplos: Downlights Flare (UGR<19, luminancia <1000 cd/m 2 a 65 ): Difusión de la fuente luminosa a lo largo de superficies amplias para limitar la luminancia. Uso de lentes con superficies texturizadas para difundir la luminancia de la fuente. UM2 con led: la fuente luminosa se distribuye por toda la longitud de la luminaria. El difusor MesoOptics TM elimina luminancias molestas y permite una distribución de la luz controlada. 4. DISEÑO TÉRMICO BIEN PLANIFICADO La gestión de la temperatura (refrigeración) es, sin duda, el aspecto más importante a la hora de desarrollar una iluminación led de alta calidad. En función del rendimiento del led, 35% de la energía se convierte en luz visible y el 65% restante en calor dentro del componente (disipación). 35% DE LUZ A modo de comparación: las lámparas fluorescentes también emiten en torno al 25% de la potencia consumida en luz visible. La diferencia reside en que, en la iluminación fluorescente, cerca del 40% de la energía también se emite en forma de radiación infrarroja o térmica. El 35% restante se transforma en calor interno y radiación UV. El rendimiento luminoso de los ledes disminuye gradualmente a medida que aumenta la temperatura en la unión. A temperaturas más bajas, aumenta el rendimiento luminoso: los ledes siempre funcionan mejor a temperaturas más bajas. Salida de la luminaria (lm) 65% DE CALOR led = 18x Cree XP-G2 R2 350 ma 108% 106% 104% 102% 100% 98% 96% 94% 92% 90% 88% Temperatura en la unión del led ( C) Fig. 23: Influencia de la temperatura de unión en el rendimiento de la luminaria (ref. 85 C) Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 21 ETAP

22 El rendimiento luminoso no solo depende de la temperatura. La vida útil funcional también se ve afectada cuando se supera una temperatura crítica. Rendimiento luminoso relativo Tiempo de funcionamiento (h) Fig. 24: Depreciación del flujo luminoso con el tiempo para distintas temperaturas en la unión Por ello, es fundamental una buena gestión de la temperatura. La disipación del calor del led al medio ambiente se produce en varios pasos sucesivos (a través de varias resistencias): El calor generado por el led se traslada a través del soporte hasta el punto de soldadura (1, dentro del led). 4 Desde allí, el calor se transfiere a la placa de circuito impreso del led (2). El calor se distribuye por el disipador de calor (4), a través de una interfase térmica (3) o TIM (Thermal Interface Material), que transfiere calor de la placa al el cuerpo de refrigeración. 3 El calor se libera al entorno por convección y radiación. Para una correcta disipación del calor, es esencial que exista un flujo de aire sin obstáculos alrededor de la luminaria. Por este motivo, el comportamiento térmico de un producto led no es el mismo para una luminaria adosadas que para una empotrada. En el caso de las empotradas, es preciso dejar el espacio libre necesario alrededor de la luminaria (sin aislamiento). El mantenimiento del disipador de calor (debe estar libre de polvo) también es una medida importante para un correcto control de la temperatura. 2 1 Fig : Diseño térmico de D3 (izquierda) y E7 (derecha) 22 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

23 5. AGRUPAMIENTO PARA UNA CALIDAD LUMINOSA CONSTANTE Durante la producción, los ledes de un mismo lote o serie presentan variaciones en propiedades tales como su intensidad y color. El uso de unos ledes distintos en una misma luminaria crearía inevitablemente distintos niveles de intensidad luminosa y tonalidades de luz. Por eso aplicamos el agrupamiento. El agrupamiento es una clasificación de los ledes según criterios específicos como: GRUPO BIN 1 1 GRUPO BIN 2 2 Agrupamiento por color: clasificación según las coordenadas de color (x, y), centrado en torno a temperaturas de color individuales. Agrupamiento por flujo: clasificación según el flujo luminoso, medido en lúmenes (lm). Agrupamiento por tensión: clasificación según la tensión directa, medida en voltios. Al seleccionar un grupo de color específico, se garantiza una calidad luminosa constante. Los ledes del mismo grupo tienen el mismo aspecto. Las diferencias en los grupos de color atraen la atención cuando se ilumina una superficie de forma uniforme. En los estudios de visión del color, se utiliza la denominada elipse de McAdam (ver figura), que es una región de un diagrama CIE con todos los colores que el ojo humano promedio no puede distinguir respecto al color situado en el centro de la elipse. Los fabricantes de led utilizan la SDCM (desviación estándar de la correspondencia de colores), según la cual 1 SDCM equivale a 1 McAdam. y Fig. 27: Principio del agrupamiento GRUPO BIN Fig. 28: Visualización de las elipses de McAdam (fuente: Wikipedia) x UPDATE Cómo aplica ETAP el agrupamiento a sus luminarias de iluminación? ETAP aplica un enfoque sistemático para garantizar la uniformidad a todos los niveles. En las luminarias LED+LENS TM siempre utilizamos ledes con una variación inferior a 2 SDCM (desviación estándar de la correspondencia de colores). Este valor puede variar para determinadas ópticas. Por ejemplo, en el caso de los difusores y softlights, la variación es de 4 SDCM, ya que en esta óptica los ledes no son visibles de forma independiente y, por lo tanto, las diferencias de color <4 SDCM tampoco son visibles. En los downlights led equipados con módulos led, la variación es de 3 SDCM a nivel de clúster. Marcamos los distintos circuitos ensamblados de acuerdo con el grupo de color utilizado, con lo que siempre podemos saber en qué grupo de color se originan los ledes. Dentro de la misma entrega parcial, siempre entregamos luminarias con el mismo código de color. Para entregas parciales extendidas a lo largo del tiempo, esto no está garantizado. En ese caso las desviaciónes de color pueden ser hasta de 4 SDCM. Colour bin Flux bin Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 23 ETAP

24 25 V RMS < V < 60 V RMS < 60 V DC < V < 120 V DC Fig. 29: Ilustración de los grupos para distintas temperaturas de color (verde 2 SDCM; rojo 7 SDCM) 6. SEGURIDAD ELÉCTRICA Los ledes funcionan a baja tensión (normalmente a aproximadamente 3 V), con lo que a menudo la seguridad eléctrica no se considera un problema. Actualmente, las soluciones de iluminación con led pueden funcionar con tensiones de 100 V o más. Como consecuencia, es preciso tomar medidas adicionales para que resulte seguro tocar los equipos. Los ledes en serie aumentan la tensión En las luminarias de iluminación, los ledes se conectan en serie siempre que es posible. El resultado lógico de este tipo de conexión es un aumento de la tensión. Una de las ventajas de los ledes es que funcionan a baja tensión y que cada led requiere una diferencia de potencial de aproximadamente 3 V. Pero si conectamos 30 ledes en serie en una misma luminaria, ya tenemos 90 V. Incluso existen drivers para led que generan tensiones de salida superiores a 200 V. Este tipo de instalaciones requiere una protección eléctrica adicional. Se requiere aislamiento adicional a partir de 24 V Las normas internacionales (CEI 61347) especifican que, por encima de 24 V*, deben tomarse medidas adicionales para garantizar que una luminaria resulte segura. Los ledes y los demás componentes que conducen corriente no deben resultar accesibles desde el exterior. La construcción debe garantizar que solo sea posible tocar los ledes después de abrir la luminaria con ayuda de herramientas especiales. Por otro lado, debe existir un buen aislamiento básico entre todas las partes de la luminaria que sean de materiales conductores y todas las partes por las que pase corriente. En términos prácticos, ETAP deja un espacio vacío suficiente, deja también espacio para labores de mantenimiento y emplea materiales con aislamiento eléctrico, manteniendo una buena gestión térmica. AC DC V< 25 V RMS (I RMS < 0,7 ma) < 60 V DC (I DC < 2 ma) 60 V RMS < V < 120 V RMS Fig. 30: De acuerdo con las normas internacionales CEI 61347, no existe riesgo al contacto (verde) hasta 24 V CA o 60 V CC. En las luminarias de led con una tensión de salida superior (rojo) se precisan medidas de seguridad adicionales. * La clase de aislamiento del driver determina si deben tomarse medidas adicionales de seguridad. 24 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en

25 7. PUBLICACIÓN DE LOS DATOS CORRECTOS El flujo luminoso específico como nuevo criterio Desde hace años, la eficiencia de las luminarias fluorescentes se viene expresando en términos de porcentaje, una indicación del grado de eficiencia con el que la luminaria utiliza la luz. Pero en la era del led, hablamos de lumen por vatio, es decir, rendimiento luminoso por unidad de consumo energético. En este contexto, es importante tener en cuenta la eficiencia específica de toda la solución, tanto de la fuente luminosa como de la luminaria. La eficiencia de una luminaria fluorescente se determina comparando el flujo luminoso de una luminaria con una lámpara desnuda. La indicación de eficiencia en términos de porcentaje es fácilmente demostrable. Muestra con qué grado de eficiencia gestiona una luminaria una cantidad de luz. Por este motivo, esta indicación se ha convertido en la norma para soluciones fluorescentes. También es muy fácil de determinar: basta con medir el flujo luminoso de una luminaria con lámpara y compararlo con el flujo luminoso de la lámpara desnuda. Las lámparas desnudas no pueden tomarse como referencia No obstante, esto no es posible en soluciones con led ya que el flujo luminoso de un led desnudo no es una referencia válida. Para empezar, hay muchos tipos distintos de led (el producto no está estandarizado). Actualmente no existe ningún método de medición estándar que se pueda emplear para medir el flujo luminoso de un led desnudo. Y lo que es más importante, el flujo luminoso es muy sensible a la temperatura. Los ledes tienen un comportamiento mucho mejor a 25 C que cuando se calientan en una luminaria. Por esto una indicación en términos de porcentaje podría, como poco, inducir a error. Eficacia luminosa específica de lámpara+luminaria Esta es la razón por la que el mercado de la iluminación opta por un concepto distinto. Ya no analizamos solo la luminaria, sino el binomio lámpara/luminaria. Trabajamos con lm/w, basándonos en la cantidad de energía que necesita una luminaria para alcanzar un determinado flujo luminoso. Puede que esto no resulte tan claro como un porcentaje, pero en cambio es más preciso. El comportamiento de las soluciones led dependen de muchos factores, como la refrigeración, el controlador, la densidad de potencia, el factor frío/calor (hasta qué punto el flujo luminoso baja cuando la temperatura aumenta), etc. La indicación en lm/w tiene en cuenta lo siguiente: cuánto más favorables sean estos factores, mayor será el flujo luminoso para la misma potencia. En ETAP nos esforzamos continuamente por alcanzar un nuevo nivel con nuestras luminarias led. Actualmente, 100 lm/w es un consumo muy bajo para una luminaria, pero a medida que los ledes sigan desarrollándose, el listón también estará cada vez más alto. Fig. 31: En las fichas técnicas de los productos ETAP de nuestro sitio web se indican el flujo luminoso de la luminaria y el flujo luminoso específico (captura de pantalla del sitio web) Quinta edición, octubre de Versión más reciente en 25 ETAP

26 Además del flujo luminoso específico, en la página web de ETAP encontrará información adicional sobre los LED: Clase de seguridad fotobiológica Temperatura de color Consumo de energia Tipo de controlador: regulable o no Factor de potencia Factor de depreciación UPDATE 8. INFORMACIÓN SOBRE CALIDAD OBJETIVA Hasta hace poco en Europa no existía ninguna directiva o marco normativo que regulara la publicación de datos de calidad de las luminarias led. Desde luego, los fabricantes publicaban información, pero el consumidor no podía compararla con otros datos fiables. Por ejemplo: algunos fabricantes publicaron buenos datos de vida útil, pero sin mencionar cómo los habían obtenido. Otro ejemplo era la publicación de rendimientos lumínicos y vida útil de la fuente luminosa led, a pesar de que esos factores dependen en gran medida de la óptica y del diseño de la luminaria. La falta de uniformidad confundía a los consumidores que, a menudo, se veían en la tesitura de comparar peras con manzanas. Legislación europea Por este motivo, la federación europea de asociaciones nacionales de fabricantes de luminarias y componentes electrotécnicos (Lighting Europe) publicó una guía sobre criterios de calidad para luminarias led, en la que ETAP participó activamente. Entretanto, la Comisión Europea elaboró un texto legislativo (Reglamento europeo 1194/2012: diseño ecológico para lámparas direccionales, lámparas led y equipos relacionados), que ya ha sido aprobado. En este reglamento se establecen requisitos en relación con el rendimiento energético, la funcionalidad y la información sobre los productos. El reglamento describe, entre otras cosas, cómo se deben medir y publicar los datos de rendimiento y calidad de luminarias completas; por ejemplo: La potencia asignada (W) de la luminaria, incluida la alimentación, el flujo luminoso de salida (lm) y el rendimiento = salida/entrada (lm/w). Representación de la intensidad luminosa (cd) en un diagrama polar. Un código fotométrico que ofrezca una indicación de la calidad de iluminación (temperatura de color de la luz, índice de reproducción de los colores, cromaticidad y flujo luminoso). Un código de mantenimiento que ofrezca una indicación de la depreciación del flujo luminoso con el transcurso del tiempo, con indicación de la vida útil prevista, el porcentaje de flujo que se mantiene al final de la vida útil y el índice de fallos presente en ese momento (ver más adelante). La temperatura ambiente ( C) para la que son válidos los valores publicados. La documentación de ETAP responde a estos requisitos europeos, así como a las normas internacionales aplicables (Public Available Specification) de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) relativos a los requisitos de rendimiento de: Luminarias de iluminación (CEI/PAS ) Luminarias led (CEI/PAS ) Módulos led (CEI/PAS62717) Utiliza su proveedor un factor de mantenimiento fiable? El código de factores de mantenimiento que se menciona en el reglamento de la UE es un atributo de calidad de las luminarias verificable y medible. En la práctica, ese código se determina típicamente durante un periodo de 6000 horas, o a lo sumo Pero en los estudios de iluminación trabajamos con depreciaciones después de horas (lo que en muchas aplicaciones estándar se corresponde con 10 años), o incluso horas de funcionamiento. Para obtener esos valores, no hay otra solución que realizar extrapolaciones. El reglamento no define con precisión cómo realizar estas extrapolaciones; por ello, ETAP aplica la norma estadounidense TM21. Partiendo de lo dispuesto en esa norma, ETAP extrapola sus datos con el fin de tener en cuenta un factor de mantenimiento correcto para cada proyecto. De esta manera garantiza que su iluminación cumpla todas las expectativas de vida útil previstas. Además, en la vida útil de la luminaria también influye la conmutación de los ledes (en serie o en paralelo) y en el envejecimiento de la óptica. ETAP también tiene en cuenta esos factores. Por último, el reglamento europeo no establece requisitos mínimos de depreciación. Naturalmente, un factor de mantenimiento alto y calculado con precisión es muy importante. Por un lado, el cliente puede estar seguro de que su instalación de iluminación tendrá un sobredimensionamiento mínimo y, por otro lado, cuenta con la garantía de que las luminarias seguirán teniendo un nivel de iluminación aceptable al final de su vida útil (ver 4.1). 26 ETAP Quinta edición, octubre de Versión más reciente en