Análisis del estado presente de la tecnología

Bajo este análisis se presentan sugerencias para mejorar el producto final que aplica la tecnología de encendido desarrollada. Se proponen inicialmente consideraciones que deben tomarse en cuenta al momento de diseñar un sistema de iluminación de LEDs, de acuerdo a la opinión de expertos. Posteriormente se muestra un análisis del costo actual del prototipo, para compararse contra los objetivos de la industria en general. Al momento de la redacción de esta tesis, no fue posible contar con datos referentes a un producto final, sin embargo, se considerará el prototipo con las especificaciones al 27 de Marzo del 2008, proporcionadas por el Ing. Abraham Galindo, quien es el encargado de las configuraciones de los prototipos.

4.7.2.1 Consideraciones para el diseño del producto final

De acuerdo con la bibliografía revisada, existen ciertas consideraciones importantes que deben tomarse en cuenta para poder tener un producto final plenamente comercializable, dichas consideraciones además, por medio de una posible investigación futura podrían desencadenar en una nueva patente.

Tipo de LEDs

Los LEDs se pueden clasificar de diferentes maneras, sin embargo, bajo este análisis se mencionan 2 clasificaciones. La primera divide a los LEDs de acuerdo a su potencia, media en lúmenes y mA. Posteriormente se clasifican específicamente los LEDs de luz blanca de acuerdo a sus componentes.

Clasificación por potencia

Es importante destacar la existencia de dos tipos de LEDs de estado sólido (SSL), los de desempeño normal y los de alto rendimiento o “Power LEDs”.

Configuraciones comunes de lámparas pequeñas de LEDs producen de 2-4 lm a 20-30 mA, en cambio los Power-package LEDs llegan a producir 25-120 lm cuando operan a 350-1000 mA. Actualmente los Power LEDs tienen un costo más elevado que los de desempeño normal.

Clasificación por componentes para LEDs de luz blanca

Además, ya que la aplicación será con LEDs color blanco, es importante considerar la existencia de tres tipos de LEDs que generan luz blanca, los cuales presentan en general la desventaja de una degradación del color a través del tiempo, la cual debe ser combatida por medio de una buena configuración óptica.

En la tabla 4.5 se observa un resumen de las ventajas y desventajas de los 3 tipos de LEDs anteriormente mencionados.

(1) RGB Blanco (2) LED azul + amarillo

(+rojo) fósforo (3) LED UV +RGB fósforo

Ve

n

taja

s

 El color puede cambiarse de forma dinámica  Como fuente de luminiscencia, pueden producirse millones de colores  La más alta eficacia  Alta eficacia  La tecnología ya existe

 Blanco frío (5500 K, 70 CRI)

 Blanco cálido (3200 K, 90 CRI)

 Potencial para limitadas variaciones de "tinte"

 Balastros simples (drivers)

 Buena uniformidad de color

De

sv

ent

aja

s  Requiere drivers más _complejos

 El color cambia debido a la temperatura y a la edad

 Como fuente de iluminación, el rendimiento de color puede ser pobre

 Potencial para variaciones de "tinte"

 La variación de tinte debe ser controlada de manera óptica y por selección

 Baja eficacia

 Se requiere mayor desarrollo

 Problemas potenciales de empaques UV

 Vida corta

 El recubrimiento epóxico se nubla

Tabla 4.5 Ventajas y desventajas de LEDs de luz blanca Fuente: (IESNA, 2005)

Tiempo de vida útil

A diferencia de otros sistemas de iluminación, los LEDs no dejan de funcionar de manera abrupta, sino que van presentando una reducción en su rendimiento luminoso. La medición de dicha vida útil se

mide como el tiempo durante el cual el LED mantiene hasta un 70% de su luminosidad en referencia a su valor máximo. En la actualidad los mejores LEDs presentan un rendimiento de 50,000 horas bajo esta medición. Uno de los motivos de esta degradación es el calor producido por el LED, el cual debe ser difundido adecuadamente para alargar su vida útil.

Ya que el producto presenta la característica de barrido, es importante la realización de pruebas que determinen el tiempo de vida útil, pues es posible que gracias a este sistema pueda extenderse o reducirse el tiempo de vida útil, para ello será necesario además definir un sistema de distribución de calor adecuado.

El proveedor tiene la obligación de proporcionar una curva de efectividad luminosa, sin embargo, ya que el sistema de iluminación propuesto somete los LEDs a un comportamiento fuera de su uso habitual, será necesario crear una nueva gráfica para el producto final.

Resistencia a condiciones ambientales

Los LEDs por sí mismos no están sujetos a efectos importantes del medio ambiente. Sin embargo, el resto del equipo que forma parte del sistema de iluminación está más propenso a ser afectado por condiciones ambientales.

De acuerdo a la información recopilada, una consideración dentro del diseño se refiere a la resistencia a la humedad. Se encontraron patentes que mencionaban la capacidad de ser completamente a prueba de humedad, incluso en condiciones extremas (mencionándolos como sistemas Waterproof). Inclusive, se encontraron patentes que aplicaban LEDs para iluminar depósitos de agua como albercas, fuentes, etc.

Se tiene como objetivo que estos sistemas de iluminación sean capaces de utilizarse en las condiciones más extremas, en donde otros dispositivos no son capaces de utilizarse (extremo calor o frío).

Configuración óptica

Es común que al momento de desarrollar un sistema de iluminación, se consideren aspectos ópticos, de manera que exista una buena distribución de la luminosidad, de acuerdo a la aplicación específica. Se mencionó anteriormente la necesidad de contar con una configuración tal que combata la degradación óptica individual de los LEDs que provoque variaciones en el color, lo cual es un efecto particularmente indeseable, sobre todo para aplicaciones en iluminación de interiores.

Existen además variaciones del color debidas al tipo de alimentación que recibe el LED, por lo que este aspecto es de vital importancia al diseñar un sistema de iluminación. A continuación se muestra en la figura 4.46 un ejemplo de cómo un mismo LED varía su color variando su alimentación.

Figura 4.46 Apariencia de la luz para diferentes alimentaciones en un LED (Fuente: Richardson, 2007)

El LED utilizado para esta prueba fue un LED de luz blanca de 1 W. En la imagen del lado izquierdo el LED fue alimentado con 50 mA de forma continua, presentando una coloración amarilla. Del lado derecho se observa el mismo LED solamente que alimentado con 300 mA a 500 MHz, la coloración

adquirida es de un tono azulado. Este ejemplo permite apreciar las variaciones del color, elemento importante para ciertas aplicaciones.

Distribución de calor de LEDs

Uno de los motivos que provoca la degeneración del color de los LEDs es el calor que se genera en ellos, por lo que para packages normales se deben tener sinks que distribuyan adecuadamente el calor acumulado. En el caso de la patente de interés se presenta una ventaja importante, pues el calor generado es únicamente proporcional al grupo de LEDs que se encienden, por lo que no se genera tanto calor como otras lámparas con igual número de LEDs.

4.7.2.2 Análisis del prototipo actual

El prototipo actual está conformado por un total de 64 LEDs de marca Luxeon, teniendo un costo de 5 dólares americanos (USD) por cada LED. Sumado a esto, el costo aproximado de los componentes electrónicos (carcasa, cables, etc.) es de unos $2,000 pesos mexicanos (MXP). El consumo actual de la lámpara es de 30 W. El costo total de la lámpara se calculará en USD al 3 de Abril del 2008.

LEDs (64 LEDs)x($5 USD) = $320 USD

Componentes ($2,000.00 MXP) / ($10.66 MXP/USD) = $187.62 USD _______________________________________________________________________ Costo total de la lámpara LEDs + Componentes = $507.62 USD

Se calcula que el prototipo actual tiene un costo de $507.62 USD, con un consumo de 30 W. De este prototipo es importante destacar lo siguiente:

 El tamaño es más grande que las lámparas de LEDs recopiladas

 El costo no puede ser comparado contra esos productos, ya que hace falta como dato su capacidad luminosa, medida en lúmenes, y ya que es todavía un producto preliminar, no se considera factible actualmente medir dicha especificación

Debido a las limitaciones anteriores, no es posible realizar una comparación adecuada del prototipo contra los productos actuales, sin embargo, dentro del análisis futuro se propone una aproximación que compara al prototipo contra los posibles productos futuros.

4.7.2.3 Número de lámparas por área en función de su flujo luminoso

Un tutorial presentado por la Universidad Autónoma de La Paz (1999), presenta una guía para cálculos necesarios para determinar números de lámparas de acuerdo a sus especificaciones. Se propone que dicha guía sea tomada en cuenta para estudios de los prototipos. A pesar de que el producto sea enfocado a iluminación exterior, los cálculos pueden adaptarse, definiendo un área de iluminación que sea iluminada por lámpara. En los anexos se encuentran tablas que permiten contar con datos para el cálculo del número de lámparas.

La información requerida es:

 Dimensiones del volumen que se desea iluminación: altura, ancho, largo.

 Nivel de iluminación de acuerdo al uso

 Elección del tipo de lámpara

 Determinación del factor de conservación.

 Determinación del tipo de iluminación (directa, indirecta, semidirecta, etc.)

 Determinación del índice del área

 Determinación del coeficiente de utilización (con el valor del índice del área y los valores de reflexión en paredes y techos, de acuerdo a los colores propuestos).

 Calcular el número de lúmenes necesarios para la iluminación del local.

Lúmenes = Luxes x área F.U. x F.C. F.U. = Factor de utilización

F.C. = Factor de conservación.

 Determinación del número de lámparas

Luxes = # lámp. x lúmenes x F.U. x F.C./ Area

 Determinar la distribución de lámparas

Mucha de esta información puede extraerse de referencias de arquitectura y regulaciones, y en el caso de la curva fotométrica, dependerá del LED en particular utilizado.