Estudio de la iluminancia en funci n de la distancia de

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Title: Estudio de la iluminancia en función de la distancia de LEDs de alta luminosidad
Author(s): Villamarin, A.; Velásquez, J.; Pons, A.; Ferrero, A.; Campos, J.; Hermanz, M.
Journal: Proceedings of X Reunión Nacional de Óptica
Year: 2012
Event name: X Reunión Nacional de Óptica, place: Zaragoza, Spain, date: 04 September 2012
Funding programme: EMRP A169: Call 2009 Energy
Project title: ENG05: Lighting: Metrology for Solid State Lighting
Copyright note: This is an author-created, un-copyedited version of an article accepted for
publication in the Proceedings of X Reunión Nacional de Óptica.
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Estudio de la iluminancia en función de la distancia de LEDs
de alta luminosidad
Ayalid Villamarín*, José Luis Velázquez, Alicia Pons, Alejandro Ferrero, Ana Rabal,
Joaquín Campos, María Luisa Hernanz
Dpto. de Imágenes, Visión e Instrumentación Científica. Instituto de Óptica. CSIC. Serrano 144, 28006 Madrid
ayalid.villamarin@io.cfmac.csic.es
Resumen: En muchas aplicaciones, las medidas fotométricas de LEDs se realizan a distancias
relativamente cortas, en las que la fuente no puede ser considerada como fuente puntual. En este caso no
se puede aplicar la ley del inverso del cuadrado de la distancia y en consecuencia la iluminancia medida
por el detector depende en gran medida de las condiciones exactas de medida. En este trabajo se han
realizado medidas de la iluminancia de diversos LEDs a diferentes distancias con el objetivo de encontrar
un modelo que permita predecir el valor de iluminancia a cualquier distancia. Presentamos los resultados
que se obtienen empleando LEDs de alta luminosidad y baja potencia.
1. Introducción
En los últimos años, los LEDs se han convertido en las fuentes de luz más populares en
multitud de aplicaciones tales como: displays, señalización marítima, señales de tráfico,
fuentes de luz usadas en la industria del automóvil e iluminación en general. Uno de los
parámetros más comúnmente usados por los fabricantes, como una medida de la
direccionalidad de un LED es la Intensidad Luminosa. Desafortunadamente, en muchos
casos, el término no se usa de forma adecuada y la magnitud medida no es una verdadera
intensidad.
Aunque en principio la medida de la intensidad luminosa se puede considerar tan simple
como hacer una medida del flujo incidente sobre un detector a una determinada distancia
del LED y calcular el ángulo sólido dividendo el área del detector por el cuadrado de la
distancia; en la realidad la situación es más compleja. El concepto de intensidad luminosa
requiere que la fuente sea puntual, o al menos que sea lo suficientemente pequeña para
considerar el tamaño despreciable en comparación con la distancia entre la fuente y el
detector. En la práctica, debido al bajo nivel de potencia radiante emitido por algunos
LEDs, estas medidas se realizan habitualmente a distancias cortas, en las que el LED no
puede considerarse como una fuente puntual. En situaciones de este tipo, la magnitud
medida no es la intensidad en su interpretación tradicional, sino que representa una
especie de intensidad promedio del LED. Con el objetivo de ofrecer una solución a este
problema, la CIE [1] recomienda el uso de un nuevo término, específico para las medidas de
LEDs, para describir la magnitud medida en estas condiciones de “campo cercano”;
especificando además dos geometrías de medida asociadas al nuevo término.
El nuevo término se llama Intensidad Luminosa Promedio I LED y las geometrías de
medida se designan como condición CIE tipo A y tipo B. En ambas condiciones se debe usar
un detector con una apertura circular de área 100 mm 2. Asimismo se especifica que el LED
se debe alinear de forma que el eje mecánico del mismo pase por el centro de la apertura del
detector. Lo que diferencia ambas condiciones es la distancia entre el LED (en realidad la
parte más externa del mismo, lo que se conoce como “tip”) y el detector, siendo para la
condición tipo A la distancia de 316 mm, correspondiente a un ángulo sólido de 0,001 sr, y
100 mm para la condición tipo B, lo que corresponde a un ángulo sólido de 0,01 sr.
Sin embargo en ningún caso se hace ninguna consideración en relación con la
distribución espacial de intensidad luminosa que tenga el LED. Dado que los LEDs
1
presentan diferentes distribuciones espaciales de intensidad, los valores I LED,A o ILED,B así
determinados no necesariamente describen el comportamiento fotométrico (la iluminancia)
del LED a otras distancias, lo que puede originar grandes errores en el diseño de
luminarias. En este trabajo se han realizado medidas de la iluminancia de diversos LEDs a
diferentes distancias con el objetivo de encontrar un modelo que permita predecir el valor
de iluminancia a cualquier distancia. Las medidas se han realizado sobre LEDs de baja
potencia de diferentes distribuciones espectrales (blancos, verdes, rojos y azules) y
diferentes distribuciones espaciales.
De acuerdo con los resultados obtenidos, la
dependencia de la iluminancia con la distancia se puede ajustar a un modelo modificado de
la inversa del cuadrado de la distancia.
2. Materiales y método
Las medidas de iluminancia se han realizado en el banco fotométrico de 8 m de carrera
útil del Laboratorio de Fotometría en el rango de distancias comprendido entre 100 mm y
1500 mm, con intervalos de 36 mm; lo que nos da un total de 40 distancias medidas,
incluyendo siempre las condiciones A y B de la CIE.
En un extremo del banco se colocan sucesivamente los LEDs estudiados (Fig. 1 a), y
frente a ellos el fotómetro (Fig. 1 b). Siguiendo las recomendaciones de la CIE, el
alineamiento se realiza de forma que el eje mecánico de LED sea perpendicular a la
superficie del detector y centrado sobre el mismo.
El fotómetro usado es el LMT P11SOT con estabilización de temperatura. Tiene una
apertura circular con un área de 100 mm2, cumpliendo así con las recomendaciones de la
CIE. Está provisto de un difusor plano para mejorar la responsividad angular del fotómetro
y la uniformidad de la radiación recibida. Su responsividad en iluminancia ha sido
previamente calibrada por comparación directa con un fotómetro de referencia del Instituto
de Óptica, así como su responsividad espectral relativa (Fig. 1c), resultando un factor f’ 1 de
0,88%.
(a)
(b)
(c)
Figura 1. (a) Montura diseñada y empleada para la sujeción de LEDs de alta luminosidad, b)
Fotografía del fotómetro LMT P11SOT empleado en este estudio, c) Curva de responsividad espectral
relativa Srel (λ) del fotómetro empleado y curva V(λ).
Todos los LEDs estudiados hasta ahora son de alta luminosidad (baja potencia) HB [2]
de diferentes colores (blanco, azul, verde y rojo) y diferentes ángulos de divergencia (30º y
60º para el caso de los LEDs blancos, 40 º en el caso de los LEDs verde y azul y 20 º y 40 º
para los rojos). La distribución espectral está representada en la Figura 2.
2
Figura 2.- Distribución espectral relativa de los LEDs estudiados
3. Resultados obtenidos
Todos los LEDs estudiados presentan un comportamiento similar. Como ejemplo en las Fig.
3 y 4 se representan los resultados obtenidos para un LED blanco y un LED rojo. En las
figuras se ha representado asimismo el ajuste obtenido. Para ello se ha utilizado un modelo
[3] modificado de la ley de la inversa del cuadrado de la distancia de la forma:
( )
(
)
(1)
Donde Ev es la iluminancia obtenida a cada una de las distancias, d es la distancia física
medida entre el plano del detector y el extremo del LED (“tip”), rs y rp son los radios del
LED y de la apertura del fotómetro respectivamente, y el offset d representa la posición
virtual de la fuente LED con respecto al extremo usado como referencia en la medida de la
distancia.
Figura 3.- Variación de la Iluminancia en función de la distancia para el LED blanco de 30º
3
Figura 4.- Variación de la Iluminancia con la distancia para el LED rojo de 40º
Como se puede comprobar, el modelo utilizado se ajusta perfectamente a los datos
experimentales (R21 en todos los casos). En la Tabla I se dan los valores obtenidos para la
intensidad luminosa Iv y d, para cada uno de los LEDs estudiados; partiendo de los valores
experimentales de iluminancia obtenidos y los datos conocidos de rs y rp.
LED
Iv (cd)
R2
d(mm)
Blanco 30º
9,47
1,4
0,999998
Azul 40º
2,95
1,5
0,999999
verde
7,84
0,9
0,99998
Rojo 40º
1,79
0,9
0,999998
Tabla 1: parámetros de ajuste del modelo modificado de la inversa del cuadrado de la distancia para
distintos LEDs
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo del “Plan Nacional de Física” para la realización de este
trabajo (FIS2010-19756), al Programa de actividades de I+D entre grupos de investigación
de la Comunidad de Madrid (FACTOTEM2. S2009/ESP/1781) y al Programa JAE del CSIC
por la concesión de la ayuda de Investigador en Formación .
Bibliografía
[1]CIE Technical Report 127 “Measurements of LEDs, 2nd Edition, International
Commission on Illumination”, Vienna 2007
[2] Hebei LTD electronics components from China http://www.hebeiltd.com.cn/?p=led.diode
[3] P. Manninen, J. Hovila, P. Kärha and E. Ikonen, “Method for analysing luminous
intensity of light-emitting diodes”, Meas. Sci. Technol. 18, 223-229 (2007).
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