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Iluminación ferroviaria
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Las superficies reflectantes de este diseño se elaboran a partir de parábolas, con la ecuación parabólica \(y^2 = 4fx\). Una parábola es el lugar geométrico de los puntos en un plano que equidistan de un punto fijo (llamado foco) y de una recta fija (llamada directriz) que no pasa por el foco. En la Figura 1 (Diagrama de estructura de la parábola), hay una recta fija L (morada) y un punto fijo F no situado en la recta; todos los puntos móviles P en el plano que equidistan de la recta L y del foco F forman una parábola. La recta L (morada) es la directriz, y el punto F es el foco. La recta M (roja) que pasa por el foco y es perpendicular a la directriz se denomina eje de simetría (en resumen, eje). El punto de intersección V del eje y la parábola es el vértice. La distancia entre V y F es la longitud focal. Un segmento de recta que une dos puntos de la parábola es una cuerda; la cuerda que pasa por el foco es una cuerda focal. La cuerda focal P1P2 (línea punteada azul) perpendicular al eje de simetría se llama cuerda focal recta.
Figura 1. Diagrama de estructura de la parábola
Este diseño utiliza una parábola como superficie reflectante porque la luz emitida desde el foco, al reflejarse en el reflector parabólico, sale paralela al eje principal. Después de crear el módulo con el software de modelado SolidWorks, se importó al software de simulación óptica FRED. Cada una de las tres superficies reflectantes parabólicas del módulo tiene un ángulo de 22,5 grados, con un tamaño total de la salida de luz de 27,661mm y una longitud de 13,836mm. A continuación, se colocó una fuente de luz LED en el foco (0,0,0) de la lente, y se instaló una lente de 5,503mm en la longitud focal X=7,739, como se muestra en la Figura 2 (Esquema del módulo). También se estableció una superficie de análisis de 28mm situada 50mm delante del LED en X=50mm.
Figura 2. Esquema del módulo
Como se muestra en la Figura 3, se realizó un seguimiento de rayos con 100 rayos. Se observa que los rayos con un ángulo de divergencia de 90 grados, después de pasar por las tres superficies reflectantes parabólicas, salen paralelos al eje, mientras que los rayos centrales que no pasan por las superficies reflectantes parabólicas salen paralelos a través de la lente.
Figura 3. Diagrama de seguimiento de rayos (100 rayos)
La Figura 4 (Diagrama de iluminancia) muestra los resultados de la simulación con 50.000 rayos. En el diagrama, se observa que la luz de alta intensidad (representada en rojo) se concentra en el centro de la superficie de análisis, con un rango de intensidad de 0,0136~0,0153W/mm². La intensidad disminuye en el orden naranja (0,0119~0,0136W/mm²), amarillo (0,0102~0,0119W/mm²), verde (0,0051~0,0102W/mm²) y azul claro (0,0017~0,0051W/mm²), formando un patrón circular. El azul oscuro más externo (0~0,0017W/mm²) indica la iluminancia más débil.
Figura 4. Diagrama de iluminancia
La Figura 5 (Diagrama de ) muestra claramente el patrón de luz formado por los tres reflectores parabólicos.
Figura 5. Diagrama de
También se fabricó un módulo de lente TIR tradicional. Las lentes TIR se elaboran con reflectores parabólicos y lentes; la Figura 6 (Diagrama de principio de la lente TIR) ilustra cómo la luz naturalmente divergente se colima mediante el reflector parabólico y sale paralela.
Figura 6. Diagrama de principio de la lente TIR [4]
El módulo de lente TIR se creó con SolidWorks y se importó al software de simulación óptica. El reflector también se hizo con una superficie parabólica, con un tamaño de salida de luz de 27,661mm y una longitud de 33,468mm. La lente, el LED y la superficie de análisis tenían los mismos tamaños y posiciones que en el módulo con reflectores parabólicos múltiples, como se muestra en la Figura 7 (Diagrama del módulo TIR).
Figura 7. Diagrama del módulo TIR
La Figura 8 (Diagrama de seguimiento de rayos para lente TIR con 100 rayos) muestra que los rayos con divergencia de 90 grados salen paralelos a través del reflector parabólico externo y la lente frontal.
Figura 8. Diagrama de seguimiento de rayos para lente TIR (100 rayos)
El diagrama de iluminancia (Figura 9) de la simulación con 50.000 rayos muestra que la luz de alta intensidad (rojo) también se concentra en el centro, con el mismo rango de intensidad (0,0136~0,0153W/mm²). La intensidad disminuye a través de naranja (0,0119~0,0136W/mm²), amarillo (0,0102~0,0119W/mm²), verde claro a verde (0,0051~0,0102W/mm²) y azul claro (0,0017~0,0051W/mm²), formando un patrón circular. Sin embargo, la luz fuera del centro es menos uniforme.
Figura 9. Diagrama de iluminancia de la lente TIR
La Figura 10 (Diagrama de de la lente TIR) muestra que la luz central forma un círculo concentrado, mientras que la luz periférica es más débil.
Figura 10. Diagrama de de la lente TIR
La comparación de los diagramas de iluminancia (Figura 11) revela que ambos tienen la misma intensidad de luz, pero el módulo propuesto (izquierda) tiene una iluminancia más concentrada y uniforme que la lente TIR tradicional.
Figura 11. Comparación de diagramas de iluminancia
La Figura 12 (Comparación de diagramas de ) muestra que el diagrama izquierdo (módulo propuesto) tiene luz central más fuerte con patrones visibles de los tres reflectores parabólicos, mientras que el diagrama derecho (lente TIR) tiene luz periférica más débil.
Figura 12. Comparación de diagramas de
La Figura 13 (Comparación de tamaños de módulos) muestra que ambos módulos tienen las mismas salidas de luz y tamaños y posiciones de lente, pero la longitud del módulo propuesto (izquierda) es 19,632mm más corta que el módulo TIR (derecha).
Figura 13. Comparación de tamaños de módulos
2. Conclusión
El luminario con reflectores parabólicos múltiples diseñado en este estudio es más pequeño en volumen que la lente TIR, reduciendo así el espacio ocupado por el luminario. A pesar de su tamaño más pequeño, la iluminancia es más concentrada y uniforme que la de la lente TIR. Puede aplicarse en linternas, iluminación interior/exterior, focos y luces de vehículos LED.
