Tendencias en eficiencia en iluminación

Transcripción

1 Tendencias en eficiencia en iluminación CAGR Camera Flash % Backlighting % Automotive % Signage % Illumination % La eficiencia de los LED de luz blanca está alcanzando a las CFL s Tasa compuesta de crecimiento anual general (CAGR) 15% CAGR de LEDs en iluminación >150% Total % 23

2 Iluminación de estado sólido (SSL) versus tradicional 24

3 Conversión de potencia de fuentes de luz blanca Source: US DOE - EERE La mayor diferencia de SSL es que toda la energía no útil debe ser extraída como calor por convección y conducción, mientras que en las otras tecnologías una parte importante es también emitida por radiación: DISIPADORES y ANALISIS TÉRMICO 25

4 Mercado para iluminación con LEDs Total Available Market TAM $500 $400 $300 $200 $100 $0 $500 $400 $300 $200 $100 $0 Outdoor & Infrastructure $409 TI $SAM ($M) $TAM($M) $260 $126 $139 $89 $61 $29 $43 $10 $ Residential & Commercial TI $SAM ($M) $367 $TAM($M) $151 $89 $86 $28 $3 $7 $21 $35 $ Segmentación del mercado Residencial & Comercial < 25W 3,000lm Pública & Industrial 20W a 75W o 2,000lm a 10,000lm Infraestructura 65W a 500W o 8,000lm a 60,000lm Observaciones Mercado en crecimiento acelerado Soluciones YA disponibles con calidad de espectro Confiabilidad Elementos motivadores Normas de eficiencia, costo de la energía, contaminación Conocimientos a dominar Manejo de energía Tecnologías de alto voltaje Wireless & Power Line Communication Conocimientos de iluminación 26

5 27 Aspectos tecnológicos de los LEDs

6 Evolución de performance de los LED Tendencia en la eficiencia de fuentes de Luz Cree XP-G LED actual 111lm/W!! Lumens/watt XLamp LED hace 1 año Mientras las demás tecnologías están en un punto de equilibrio, la tecnología de LED avanza en forma espectacular Las especificaciones de hace uno o dos años ya no sirven para sacar conclusiones sobre la validez de esta tecnología 28

7 Ventajas básicas de los LED Son eficientes en uso de energía (>100LPW), y la tecnología mejora día a día Son direccionales De larga vida útil: 50k horas para caer al 70% Son robustos por construcción, sin filamentos Su encendido y apagado es instantáneo No usan materiales contaminantes (Hg, Pb) El control de intensidad es muy simple No tienen dificultad de operar en ningún rango térmico (de hecho, más frío mejor) 29!"#$% &

8 30 Color Rendering Index (CRI) CRI es una norma usada para evaluar cómo una fuente de luz altera la percepción de un color, comparada con la radiación pura de un cuerpo negro; usa como valor de referencia 100 a una lámpara incandescente Se usa una paleta de 8 colores pastel LED blanco frío LED blanco cálido Halógena MR16 Incandescente Fuente de Luz Sodio de baja presión Sodio de alta presión Tubo fluorescente cálido Tubo Fluorescente Daylight Lámpara de Metal halide CRI < El LED Cree LRP-38 (12W, 42lm/W) ofrece un CRI de 92, a una temperatura color de 2,700K Similar en emisión de luz y calidad de color a una halógena de 50W! 100

9 Como se hace para generar luz blanca? Material fósforo Espectro de la luz del sol LED Para producir luz blanca, la luz generada por un LED azul se la hace pasar a través de un recubrimiento fosforescente que la transforma parcialmente en luz amarillo verdosa. La concentración de sustancia fosforescente puede ajustarse, de modo que la luz azul primaria emitida por el diodo se mezcle con la luz de la sustancia fosforescente para producir luz blanca. El tipo de fósforo y las proporciones definen distintos tonos de blanco 31

10 El encapsulado de los LED Un LED es fabricado en base a un chip, montado sobre una base, y al que se agrega un recubrimiento que hace de protección y de óptica En el caso de LEDs de baja potencia, el énfasis está puesto en tamaño, tipo de montaje, y tipo de la óptica En el caso de LEDs de alta potencia, el encapsulado es también clave como mecanismo para disipar el calor que se genera en el chip Esto es fundamental para la vida útil real del LED LED chip 32

11 Protege al chip y al fósforo Ayuda en la emisión de luz Ayuda a extraer el calor Determina la vida útil del LED El encapsulado de los LED 33

12 Encapsulados y tipos Lamp Type Drive Current Light Output Brands Applications T1-type (3 7 mm) 5 20 ma <1 4 lm (Commodity product) Indicators Votive lights Rope lights Traffic signals Video screens Surface mount (side emitting) 5 20 ma 1 5 lm SideLED LCD backlighting Surface mount (top emitting) 5 20 ma 1 10 lm High power ma lm TopLED ChipLED Dragon Luxeon Jupiter P4 XLamp Automotive Channel letters Video Displays LCD TV Architectural General illumination High power Multi-chip ma lm Ostar P7 XLamp MC PhlatLight General illumination 34

13 Características técnicas de los LED: rendimiento lumínico Si se piensa en el LED como un conversor de energía eléctrica en energía lumínica, se hace importante conocer esa relación de transferencia Los fotones emitidos dependen de cuántos electrones atraviesan la juntura, por lo que hay una relación directa entre corriente y emisión La caída de voltaje depende del BandGap del material, y aumenta cuando mayor es la frecuencia de la luz (menor longitud de onda) La relación Voltaje vs. Corriente es exponencial, como en cualquier diodo La relación corriente/luz es casi lineal, aunque decae con altas corrientes Los fabricantes muestran las curvas (y aseguran el uso) hasta sólo 2 a 3 veces la corriente nominal. En operación multiplexada con relación de trabajo menor a 35% el LED no puede ser aprovechado a máxima potencia sin usarlo fuera de especificaciones. 35

14 Relación voltaje/corriente 36 Debido al proceso de fabricación, la relación I=f(V) es distinta en cada LED La curva de la hoja de datos muestra un promedio estadístico Esta curva es importante al trabajar con corrientes pulsadas en los diodos de alta intensidad, y al diseñar los circuitos de disipación de potencia, a fin de controlar la temperatura y mantener la vida útil.

15 Excitación por voltaje, por corriente, o con una R serie Si se desea que el LED genere cierta luz, debe hacerse circular una dada corriente, y para polarizar al LED en ese punto puede usarse: 37 Una fuente de corriente: casi ideal, aunque circuito complejo Una fuente de voltaje: gran dispersión de corriente entre distintos LED Una fuente de voltaje con una resistencia serie: menor dispersión de corriente, empeora la eficiencia del circuito. Caso típico

16 38 Ancho espectral de los LED En general, los LED suelen ser fuentes emisoras de luz de baja saturación; es decir, su espectro de emisión está bastante concentrado alrededor de la frecuencia central; esta es una diferencia importante respecto a las lámparas incandescentes, que poseen un ancho espectral muy grande. Para describir el ancho de la curva de emisión donde la intensidad de emisión cae a un 50% se usa un parámetro llamado Spectral line half-width. Para un LED típico de color verde el pico de emisión es de alrededor de 530 nm, pero emite luz desde 500 nm a 567 nm, y su Spectral line half-width es de cerca de 30 nm

17 Diagrama de irradiación de los LED Otra característica distintiva de los LED respecto a las lámparas incandescentes es su elevada direccionalidad. Debido a la técnica de fabricación del LED y al encapsulado, que opera como lente, en los LED el flujo radiante suele concentrarse en un haz de ancho angular reducido, con valores típicos entre +/-60º y +/- 15º. Este ángulo se indica en las hojas de datos como 21/2 y se mide entre aquellos ángulos en que la intensidad cae a un 50% del valor máximo A los fines de cálculo, un haz cónico de ancho angular alfa radianes, corresponde a un ángulo sólido de 2.Pi.(1-cos(alfa/2)) sr. 39

18 Diagrama de irradiación de los LED En muchos casos la óptica del LED se diseña para que la distribución del flujo sea uniforme alrededor de un eje. Sin embargo, en los llamados oval LED esta distribución es más angosta en un eje y más ancha en el eje perpendicular (por ejemplo, 120º en horizontal y sólo 40º en vertical, como suele usarse en carteles de LED o en luces de vehículos). Esta asimetría permite aprovechar mejor la energía luminosa al dirigirla hacia los observadores, y no en todas direcciones. 40

19 Diagrama de irradiación de los LED El diagrama de irradiación es importante para elegir y/o comparar LED en aplicaciones de iluminación; por ejemplo: un LED de 20º y mcd emite la misma cantidad de lumen (sobre su eje) que un LED de 40º y 3000 mcd un led Harvatek HT-D476TWV-PVPW-DG de color blanco puro y 5W emite 150 lumen con un ángulo de +/-30º (0,84sr), lo que en el punto de mayor intensidad es igual a una lámpara incandescente de 130W emitiendo 2250 lumen en forma omni-direccional. Un LED oval 40ºVx120ºH es visto por un observador ubicado en el eje horizontal como 3 veces más brillante que otro de idéntico flujo luminoso pero diagrama de irradiación uniforme de 120º. 41

20 Óptica primaria de un LED Cada LED tiene asociado un sistema óptico primario, diseñado para extraer del LED la mayor cantidad de luz posible, con cierto diagrama de irradiación Cuando este diagrama no alcanza suelen usarse ópticas secundarias 42

21 Eficiencia de iluminación Las lámparas incandescentes, CFL, tubos fluorescentes, etc., en general tienen un diagrama de irradiación cuasi omnidireccional Esto provoca que parte importante de la energía luminosa irradiada sea desaprovechada La direccionalidad del LED mejora notablemente este aprovechamiento Y esta mejora debe ser tenida en cuenta en el rendimiento final 43

22 Accesorios ópticos Como forma extra de aumentar la eficiencia de iluminación es posible emplear ópticas Con ellas suele ser posible ajustar el cono de irradiación ( beam ) de LEDs específicos en forma concentrada (8º), media (21º) o amplia (29º), en incluso con distribución elíptica (8ºx 44º) FRAEN Este ángulo depende del diagrama de irradiación del LED, por eso las ópticas están asociadas a cada LED 44