Iluminación industrial

El primer desafío es acoplar la luz del LED a la guía de luz con mínimas pérdidas de luz. Las eficiencias de acoplamiento más altas se pueden lograr alinear la apertura numérica o el cono de aceptación de la guía de luz con el cono de emisión del LED. En este caso, la eficiencia de acoplamiento es mayor del 92%. La pérdida del 8% se debe a la reflexión de Fresnel en el espacio de aire de ambos lados. Una forma de minimizar la pérdida de Fresnel es ubicar el LED dentro del envuelto de la guía de luz, como se muestra en la Figura 1, y fusionar los dos materiales (el domo de epóxido del LED y la guía de luz), o usar epóxidos con índice de refracción combinado. Por lo tanto, en este estudio todas las guías de luz cuentan con cavidades cóncavas para ubicar los LEDs en su interior.

Figura 1: (a) LED externo a una guía de luz; (b) LED ubicado dentro de una guía de luz.
Los LEDs utilizados en este estudio tienen ángulos de cono mucho más amplios para la emisión del LED (ángulo medio de 80°). Como resultado, la luz que se emite a ángulos superiores a 30° escapará de la guía de luz sin sufrir reflexión total interna (RTI).El resto de la luz acoplada luego se propaga dentro de la guía de luz y eventualmente sale de ella. Diferentes tratamientos de superficie de la guía de luz pueden cambiar la propagación de la luz. Sabemos que la luz se puede controlar de varias maneras: reflexión (difusa y especular), transmisión y refracción. Por lo tanto, dos características son críticas para que una guía de luz proporcione una cierta distribución de potencia cándelabra: la propiedad de superficie y la forma de sección. Si las superficies están perfectamente pulidas, los rayos acoplados a una guía de luz viajan reflexionándose de un lado a otro (RTI) entre las superficies exteriores (Figura 2a). Pero si una superficie se convierte en una superficie de dispersión lamberciana, la luz incidente sufre dispersión difusa, y la mayor parte de esta luz se refracta desde la superficie opuesta (Figura 2b). La superficie lamberciana se puede crear con una capa de pintura blanca difusa. Además, la forma y dimensiones de la guía de luz, así como la matriz de microestructuras en la superficie, también contribuyen a la distribución de luz de la guía de luz.³, ⁴ Por lo general, es más fácil fabricar guías de luz con secciones transversales cuadradas, rectangulares o circulares.

Figura 2: (a) Guía de luz perfectamente pulida; (b) Guía de luz con superficie de dispersión lamberciana.

El primer paso fue modelar la fuente de luz. La fuente LED específica utilizada en la simulación computarizada es un producto comercial disponible, el emisor Luxeon (LXHL-PWO). Como LED de alta potencia, el emisor blanco Luxeon de 1 vatio puede proporcionar un flujo luminoso de hasta 18 lumenes. El modelo de fuente de luz se creó en LightTools. La Figura 3 muestra el modelo de fuente LED y su distribución de potencia cándelabra lamberciana, que coincide con la especificación del fabricante.

Figura 3: (a) Emisor Luxeon LXHL-PWO simulado; (b) Distribución de potencia cándelabra del modelo LED.

El siguiente paso fue modelar las guías de luz. Las guías de luz deberían proporcionar tres distribuciones básicas de potencia cándelabra: coseno hacia abajo, ala de murciélago hacia abajo y ala de murciélago hacia arriba. Como se mencionó anteriormente, el coseno producirá la luz direccional de énfasis en la mesa de una sala de conferencias, y el ala de murciélago proporcionará la iluminancia uniforme en el techo, las paredes y el piso.
Además, uno de los principales requisitos para un fijador es maximizar la cantidad de luz que sale del mismo. Por lo tanto, la eficiencia óptica de la guía de luz se define como:

Donde Φin es el flujo emitido por los LEDs, y Φout es el flujo que sale de la guía de luz y llega al receptor de campo lejano. Las pérdidas de luz se producen por absorción dentro del material de la guía de luz y por el atrapamiento dentro de la guía de luz. Por lo tanto, el objetivo era maximizar la cantidad de rayos que alcanzan el receptor de campo lejano. Los receptores de campo lejano registraron el flujo y la dirección de los rayos incidentes. Los datos en el detector se utilizaron para optimizar el diseño del sistema.
El modelado de la guía de luz comenzó con una versión a escala reducida para determinar rápidamente los parámetros óptimos que pueden proporcionar las distribuciones ideales y una mayor eficiencia. Finalmente, se modeló un fijador de tamaño completo basado en los parámetros analizados.

Como se discutió previamente, la dirección de propagación de los rayos dentro de la guía de luz se puede modificar mediante la forma de la sección transversal. Se seleccionó la guía de luz de forma rectangular para este estudio. Todas las superficies, excepto dos, se convirtieron en superficies lambercianas (reflejan 93%); la superficie cóncava donde se ubicaba el LED y la superficie final donde salía la luz se convirtieron en superficies de RTI, como se ilustra en la Figura 4. Con este tratamiento de superficie, los rayos que salen de la superficie de RTI formaron una distribución de potencia cándelabra coseno a través de la guía de luz (dirección 0°). La Figura 5a ilustra los resultados del trazado de rayos. La Tabla 1 muestra los parámetros del modelo físico de la guía de luz escalada. El resultado muestra que esta guía de luz escalada tiene una eficiencia del 64%. La pérdida de luz provenía de la absorción de la superficie lamberciana (34%). Se observó que la eficiencia dependía de las dimensiones de la guía de luz. Normalmente, cuanto mayor es el área de la superficie de RTI, mayor es la eficiencia.

Figura 4: (a) Vista en isométrico y (b) vista en sección transversal de la propiedad de superficie de la guía de luz para lograr una distribución coseno a 0°.

Figura 5: Las distribuciones de potencia cándelabra a 0° y 90° (a) con un solo LED y (b) un LED en ambos extremos.

Tabla 1: Parámetros del modelo físico de la guía de luz en LightTools.

Se observó que la distribución en una dirección de 90° (a lo largo del eje de la guía de luz) era bastante asimétrica; más rayos se acoplaron cerca del extremo de la fuente. Este problema se resolvió agregando un LED más en el extremo opuesto, lo que permitió que ambas direcciones (0° y 90°) tuvieran distribuciones coseno (Figura 5b).

Actualmente, no existe una definición para las distribuciones ala de murciélago que cuantifique la cantidad de luz en cada ángulo zonal. En este estudio, definimos una distribución ala de murciélago como aquella que tiene una intensidad luminosa máxima alrededor del ángulo zenital/nadir de 45°, con menos del 70% de la intensidad luminosa máxima en el ángulo zenital/nadir, como se muestra en la Figura 6. Para lograr una distribución tan específica, se debe modificar el acabado de superficie de la superficie de salida de luz. Un estudio previo muestra que una guía de luz de prisma puede exhibir una amplia gama de características fotométricas. Utilizando este concepto, en este estudio se utilizó la matriz de microprismas como tratamiento de superficie para producir las distribuciones ala de murciélago. Se utilizó el siguiente procedimiento para crear la distribución ala de murciélago.

Figura 6: Una distribución ala de murciélago.

En este estudio, se deseaba una distribución simétrica a lo largo del fijador (dirección 0°). Por lo tanto, una distribución ala de murciélago se pudo lograr combinando dos guías de luz idénticas. Ambas tenían una intensidad máxima en el ángulo zenital/nadir de 45°, como se ilustra en la Figura 7.

Figura 7: Secciones transversales de las guías de luz escaladas para distribución ala de murciélago y sus parámetros de diseño.

La forma del prisma influye en la eficiencia y la dirección de propagación de los rayos de salida. Los parámetros ajustados en este estudio se enumeran a continuación:
• α: ángulo de las superficies tipo A, donde sale la luz de las guías de luz.
• β: ángulo de las superficies tipo B, donde se refleja la luz dentro de las guías de luz.
• h: altura del prisma.
• H: grosor de la guía de luz, limitado a 10 mm.
• d: distancia entre dos prismas vecinos. (En este estudio no se consideró la distancia de desplazamiento lineal.)
• N: número de prismas.
• Propiedad de superficie: RTI para la superficie tipo A; reflectancia del 100% RTI para las superficies tipo B; dispersión lamberciana (reflectancia del 93%) para las superficies tipo C.

Todos estos parámetros determinan la cantidad de rayos de salida. Además, la orientación de la superficie tipo A (α) es crucial para la dirección de los rayos de salida y, por lo tanto, para la distribución de potencia cándelabra. Por lo tanto, se llevó a cabo un estudio piloto utilizando una versión a escala reducida de la guía de luz para determinar el diseño óptimo de la matriz de microprismas en términos de distribución de luz y eficiencia. Cada parámetro se varió mientras se mantenían los demás constantes. El haz de salida se analizó en términos de distribución y eficiencia.

Tabla 2: Parámetros del modelo físico de las guías de luz en LightTools.

La Tabla 3 muestra los resultados del análisis de trazado de rayos. Es interesante notar que cuando α aumenta, la eficiencia aumenta porque una superficie de RTI más grande permite que más rayos salgan. Sin embargo, la distribución de potencia cándelabra se acerca más a un coseno. Por lo tanto, existe un compromiso entre la eficiencia y la distribución. Por lo tanto, se seleccionó 20° como el ángulo óptimo para las superficies tipo A.

*Imax: intensidad luminosa máxima a lo largo de la guía de luz (0°); Inadir: intensidad luminosa en el ángulo nadir.
Tabla 3: Resultados de la simulación para lograr la distribución ala de murciélago.

La siguiente serie de trazados de rayos se simuló para identificar el valor óptimo de β. Se utilizó el valor de α obtenido en las pruebas anteriores, 20°. Nuevamente, los parámetros restantes, h, d y N, se mantuvieron iguales que para la condición descrita anteriormente. Los parámetros del modelo en LightTools se mantuvieron iguales a los de la Tabla 2. La Figura 8 muestra el cambio de eficiencia η en función de β. De manera similar, la eficiencia aumenta cuando β aumenta. Sin embargo, se observó un ligero cambio en la distribución de luz. Nuevamente, 40° se identificó como el valor óptimo para β, con un compromiso entre la distribución y la eficiencia.

Figura 8: Eficiencia de las guías de luz en función del ángulo beta.

Luego, en la condición de α=20°, β=40°, d=4 mm y N=8, se analizó la relación entre la altura del prisma y la eficiencia de la guía de luz. Los resultados se muestran en la Figura 9. Cuando h aumentaba, la eficiencia aumentaba hasta un cierto punto. Sin embargo, la eficiencia cayó en función del grosor de la guía de luz. Por lo tanto, teniendo en cuenta el tamaño del LED y el grosor de la guía de luz, se determinó que la altura óptima del prisma era de 3,5 mm.

Figura 9: Eficiencia de las guías de luz en función de la altura del prisma.

El último paso fue decidir la densidad adecuada del microprisma, es decir, la distancia d entre dos prismas vecinos. Para este análisis, los otros parámetros se mantuvieron como: α=20°, β=40° y h=3,5 mm. Además, la longitud de la guía de luz se mantuvo en 60 mm, en lugar de un número constante de prismas. Como se muestra en la Figura 10, la eficiencia cayó cuando la distancia entre dos prismas vecinos disminuyó, pero la distribución se acercó más a una ala de murciélago. Haciendo un compromiso entre la eficiencia y la distribución, se consideró que una distancia de 2 mm entre dos prismas vecinos era la mejor.

Figura 10: Eficiencia de las guías de luz en función de la distancia entre prismas.

El análisis de trazado de rayos ópticos muestra que para lograr la distribución ala de murciélago y maximizar la eficiencia de salida de luz, los valores óptimos para los parámetros α, β, h y d deberían ser 20°, 40°, 3,5 mm y 2 mm, respectivamente. Los autores de este manuscrito desean señalar que los valores determinados para los diferentes parámetros son específicos del diseño del fijador abordado en este estudio.

La última tarea fue ampliar los modelos e integrar los diferentes subensamblajes para formar un fijador de luz que pueda proporcionar la distribución de luz y los niveles de luz necesarios para la aplicación objetivo. Con el fin de ilustrar el concepto de diseño, se eligió la dimensión más común de un fijador de lámpara fluorescente indirecta-directa: la longitud de las guías de luz de 1200 mm (4 pies) y el ancho total de 300 mm (1 pie). La vista en sección transversal del sistema se ilustra en la Figura 10. La guía de luz A proporcionaba una distribución coseno hacia abajo. Dos guías de luz B y dos guías de luz C proporcionaron las distribuciones de ala de murciélago hacia abajo y ala de murciélago hacia arriba, respectivamente. La guía de luz B y la guía de luz C se unieron para formar un solo elemento. Las guías de luz tenían las mismas dimensiones: 1200 mm de longitud, 80 mm de ancho y 10 mm de altura. Las dimensiones de la matriz de microprismas siguieron los resultados obtenidos en el análisis anterior. Los LEDs estaban ubicados dentro de las guías de luz. Sólo la guía de luz A tenía matrices de LEDs ubicadas en ambos lados a lo largo de la longitud (dirección 0°). Las guías de luz B y C tenían cada una una matriz de LEDs en un lado a lo largo de la longitud de la guía de luz. (Véase la Figura 11) El número de LEDs utilizado para la guía de luz C fue dos tercios de la guía de luz B porque se necesitaba menos luz para la luz hacia arriba que para la luz hacia abajo. Teniendo en cuenta los requisitos de disipación de calor para los emisores Luxeon, los LEDs se ubicaron a 25 mm de distancia para las guías de luz A y B, y a 37,5 mm de distancia para las guías de luz C. Por lo tanto, las guías de luz A, B y C tenían 96, 48 y 32 LEDs, respectivamente. Además, estos LEDs fueron diseñados para montarse en aluminio, que también actúa como disipador de calor. En un fijador de la vida real, los disipadores de calor serían extruidos con aletas, lo que podría aumentar el área de superficie expuesta para la convección. El espacio entre las guías de luz se diseñó para la conexión de aluminio. El Anexo A muestra las dimensiones detalladas de todo el fijador.

Figura 11: Vista en sección transversal del sistema de guía de luz.

Se llevaron a cabo dos pasos de trazado de rayos. En primer lugar, se probaron las distribuciones de las guías de luz con un receptor de campo lejano. Además, se calculó la eficiencia de las guías de luz en el primer paso. El segundo trazado de rayos simuló condiciones utilizando este sistema de guía de luz en una sala de conferencias de 5x5x3,3 metros (15x15x10 pies), con una mesa de 1,3x2 metros (4x6 pies) en el medio de la sala. Luego, se simuló la distribución de iluminancia en cada superficie. Según el IES Handbook, el nivel de iluminancia en la mesa de una sala de conferencias debería ser de 500 lx, y la uniformidad de iluminancia (definida como la relación máximo a promedio) en la mesa, las paredes y el techo debería ser menor que 10, 10 y 3, respectivamente.

La Figura 12 ilustra las distribuciones de potencia cándelabra de cada parte del fijador de luz. Cumplen con los requisitos anteriores. Como se ve en estas figuras, los LEDs junto con las guías de luz pueden proporcionar casi cualquier distribución de haz. Las eficiencias para las guías de luz de distribución coseno, distribución ala de murciélago y todo el sistema son del 81%, 40% y 55%, respectivamente. Esta clase de eficiencia del fijador es bastante baja para uso práctico. Para la distribución coseno, el 19% de la luz de entrada es absorbida por la guía de luz. En cuanto a las distribuciones ala de murciélago, alrededor del 50% de la luz de entrada se atrapa dentro de las guías de luz, sin incluir una pérdida de luz del 8% y un 5% causada por absorción y pérdida de Fresnel, respectivamente. Al parecer, ocurren más pérdidas de luz dentro de las guías de luz que proporcionan la distribución ala de murciélago en comparación con la distribución coseno.

Figura 12: (a) Distribución coseno de la guía de luz A; (b) Distribución ala de murciélago hacia abajo de las guías de luz B; (c) Distribución ala de murciélago hacia arriba de las guías de luz C; (d) Distribución total cuando todos los LEDs están encendidos.

La Figura 13 muestra las distribuciones de iluminancia en la mesa, paredes frontales, paredes laterales y techo, respectivamente, cuando todas las matrices de LEDs estaban encendidas. Los ejes x e y corresponden a las dimensiones físicas de estas superficies. Las iluminancias en estas superficies se dan en los valores de la escala de colores. La Tabla 4 da la iluminancia máxima, la iluminancia promedio de salida y la relación de uniformidad en cada superficie. La uniformidad en todas las superficies es muy buena, especialmente en la mesa, cerca de 1:1. Sin embargo, el nivel de luz en la mesa es bajo debido a la baja eficiencia de las guías de luz que proporcionan la distribución ala de murciélago.

Figura 13: Distribuciones de iluminancia en la (a) mesa, (b) pared frontal, (c) pared lateral y (d) techo.

Tabla 4: Iluminancias máxima y promedio en las superficies y las relaciones de uniformidad.

Se exploraron fijadores de luz para salas de conferencias que utilizan un sistema de guía de luz LED a través de modelado computarizado. Mientras que una guía de luz de forma rectangular con superficies reflectivas difusas simples proporcionaba la distribución de haz coseno necesaria, se requería un tratamiento de superficie más sofisticado en la superficie extractora de luz de la guía de luz para crear las distribuciones de haz ala de murciélago. Las estructuras de acabado de superficie tenían la forma de matrices de microprismas. Al encender y apagar las matrices de LEDs en diferentes guías de luz, se podían lograr diversos niveles y distribuciones de luz para diferentes ocasiones. Un análisis adicional mostró que, cuando se utiliza en una configuración típica de sala de conferencias, el fijador produce una uniformidad aceptable en las superficies. Aunque el sistema proporcionó las distribuciones de haz necesarias, la eficiencia del sistema fue bastante baja, solo del 55%. La mayor pérdida de luz ocurrió al crear la distribución ala de murciélago. La eficiencia global del sistema debe ser mayor del 80% para que este tipo de fijador se convierta en una solución viable.