Introducción

La tecnología LED se descubrió a principios del siglo XX y se utilizó inicialmente como luces indicadoras en productos electrónicos. A finales del siglo XX, los científicos utilizaron LED rojos, verdes y azules para producir luz blanca, que se aplicó gradualmente a la industria de la iluminación. En comparación con las fuentes de luz tradicionales, las lámparas LED se utilizan ampliamente en la iluminación industrial, comercial y exterior debido a su alta eficiencia energética, larga vida útil y alto índice de reproducción cromática (en comparación con las lámparas de sodio de alta presión y algunas lámparas halógenas). Con la creciente demanda de calidad de la iluminación, las personas ya no solo se preocupan por si la iluminación proporciona suficiente iluminación/brillo, sino que también prestan más atención a la calidad de la iluminación, incluyendo la uniformidad, el deslumbramiento (¿Qué es el deslumbramiento y cómo reducirlo?), el IRC y la eficiencia energética, etc. En este artículo, nos centraremos en qué es el IRC de la iluminación LED y cuál es su eficiencia energética. En este artículo, analizaremos qué es el IRC y la eficacia luminosa, y cómo mejorarlo. También analizaremos la relación entre ambos, ya que a menudo existe un conflicto entre un IRC alto y una eficacia luminosa alta. Por ejemplo, mejorar el IRC suele ir en detrimento de la eficacia luminosa; por otro lado, la búsqueda de una eficacia luminosa alta puede llevar a una disminución del IRC. A continuación, lo explicaremos paso a paso.

¿Qué es el IRC?

El índice de reproducción cromática (Ra/IRC) mide la capacidad de la fuente de luz para reproducir el verdadero índice de color del objeto. Su rango va de 0 a 100. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la precisión en la reproducción del color. La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) establece el índice de reproducción cromática de la luz solar (espectro de luz natural) en 100 y especifica 15 colores de prueba, utilizando R1-R15 para representar el índice de visualización de estos 15 colores, respectivamente. Al comparar una fuente de luz con una fuente de luz de referencia específica (luz solar), podemos derivar la diferencia en las coordenadas de color entre las 8 muestras de color estándar (R1-R8) bajo la fuente de luz que se va a probar y la fuente de luz de referencia. A continuación, utilizamos una fórmula específica para calcular el índice de reproducción cromática especial (Ri) para cada muestra de color. El IRC (Ra) es la media aritmética de los índices de reproducción cromática de estas 8 muestras de color estándar. Los índices de reproducción cromática extendidos (p. ej., R9-R15) se utilizan a veces para evaluar la eficacia de una fuente de luz en la reproducción de colores saturados (p. ej., rojos y azules), y en algunos escenarios de aplicación pueden tener requisitos específicos. Los valores ideales de IRC >90+ proporcionan una excelente reproducción cromática para aplicaciones de alta gama, mientras que los IRC de 80-89 son adecuados para la mayoría de los usos residenciales y comerciales. Por debajo de 80, la luminaria presenta una reproducción cromática deficiente y se suele utilizar para iluminación industrial o vial (¿Qué nos importa en el alumbrado público?), donde no se requiere precisión de color.

La explicación anterior puede ser un poco abstracta, por lo que usaremos imágenes para mostrarla a continuación. Generalmente, creemos que el CRI de la luz natural exterior alcanzará los 100 puntos, por lo que, en esencia, utilizamos el CRI para probar y comparar la luz artificial (luz LED; obtenga más información sobre las luces LED ZGSM) y la luz solar. Por ejemplo, si observa un pomelo naranja a la luz del día, verá un pomelo de colores brillantes. Esto se debe a que el espectro de la luz natural contiene todos los colores, y cuando la luz incide en el pomelo, la luz excepto el amarillo se absorbe, y lo que ve es el amarillo reflejado. El mismo pomelo naranja, si se observa bajo una luz LED con un índice de reproducción cromática bajo, no aparecerá naranja brillante al ojo humano debido a la ausencia o baja proporción de amarillo en el espectro. Por el contrario, si se utiliza una luz LED de alta calidad (cuyo espectro sea lo más cercano posible a la luz natural con un IRC alto), verá un pomelo naranja brillante.

¿Cómo conseguir luz LED con un IRC alto?

Actualmente existen tres soluciones principales para mejorar el índice de reproducción cromática de las lámparas LED. La primera consiste en utilizar diferentes proporciones de fósforo; la segunda, en reducir la temperatura de la unión PN y mejorar la adaptabilidad de los fósforos a altas temperaturas; y la tercera, en utilizar tecnología de compensación de color (utilizando LED rojos o ámbar para compensar el índice de reproducción cromática de los LED). A continuación, las explicamos una por una.

Utilice diferentes proporciones de fósforo

La forma más directa y efectiva de mejorar el IRC de las fuentes de luz LED es hacer que el espectro del LED de luz blanca sea lo más cercano posible al espectro de la luz solar; es decir, cuanto más cercano esté el espectro a la fuente de luz de referencia, mayor será el IRC. En otras palabras, cuanto más completo sea el espectro de luz emitido por la fuente de luz LED en el rango de luz visible, mayor será el IRC y más cercano estará el IRC de la fuente de luz a 100. En los primeros días del desarrollo de las fuentes de luz LED, era difícil mejorar el IRC de las fuentes de luz LED de luz blanca, principalmente porque el esquema de implementación de luz blanca más eficiente y clásico de chip LED de luz azul + fósforo amarillo (YAG) carecía del color de la parte roja saturada (es decir, R9), y también carecía de la parte cian cerca de 490 nm, lo que resultaba en una mayor pérdida de espectro emitido por todo el LED. Posteriormente, con el desarrollo de la tecnología, principalmente el rápido desarrollo de la tecnología de fósforo, la aplicación de la tecnología de fósforo rojo se ha vuelto cada vez más madura. Actualmente, el IRC de las fuentes de luz LED de luz blanca con fósforo rojo añadido puede superar 90 o incluso acercarse a 100. En la práctica, a menudo necesitamos encontrar chips LED con un IRC alto, algo relativamente fácil de conseguir para la mayoría de los proveedores. Sin embargo, cuando los clientes exigen una mayor eficiencia lumínica, debemos elegir entre un IRC alto (un IRC alto en ocasiones conlleva un TLCI alto; consulte más información sobre CRI vs. TLCI) y una alta eficiencia lumínica. Si necesita ambos, deberá pagar más para obtener chips LED de alta calidad (IRC alto + alta eficiencia lumínica).

Reducir la temperatura de la unión PN

En teoría, la luz blanca producida por el chip LED azul combinado con fósforo es de hecho cercana a la luz natural. Pero la práctica es diferente de la teoría. Esta diferencia es causada principalmente por el calor. El calor tendrá un efecto obvio en el fósforo. Como todos sabemos, los LED de alta potencia de las luces exteriores (alumbrado público, reflectores LED, luminarias deportivas) generarán calor constantemente durante el proceso de trabajo, mientras que la parte de enfriamiento irradiará constantemente este calor. A medida que aumenta la temperatura, la actividad del fósforo en los chips LED se reducirá, especialmente en la parte roja de la eficiencia luminosa disminuye más obviamente, lo que finalmente conduce a cambios en la distribución espectral de los chips LED, es decir, el CRI se vuelve más bajo. Por el contrario, cuando la temperatura baja, la actividad del fósforo de los chips LED aumentará, es decir, la parte roja de la mejora de la emisión de luz, de modo que la distribución espectral es más continua, el índice de reproducción cromática (IRC) del LED también aumentará. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, es fundamental prestar atención a la disipación térmica de las lámparas para garantizar que los chips LED funcionen a temperaturas más bajas, lo que a su vez reduce el impacto negativo de las altas temperaturas en el fósforo. Además, si se consulta el informe de prueba del LM82, también se observará que las altas temperaturas reducen la eficiencia luminosa de las lámparas LED, por las razones ya explicadas: la actividad del fósforo se reduce.

Utilice tecnología de compensación de color

La tecnología de mezcla de colores mejora significativamente el índice de reproducción cromática (IRC) de los LED combinando chips LED de diferentes longitudes de onda (como rojo, verde, azul, etc.) u optimizando los fósforos para ampliar el rango espectral de la fuente de luz y acercarlo a la distribución espectral de la luz natural. Este método puede compensar las deficiencias de la luz roja y verde en el espectro LED tradicional y mejorar las capacidades de reproducción del color. Sin embargo, la tecnología de mezcla de colores presenta muchos desafíos en términos de costo y complejidad del proceso. Esta tecnología es similar a las soluciones de iluminación RGB (faro ZGSM RGB), que generalmente requieren más chips LED para lograr una iluminación de luz blanca. Cuando se utiliza para mejorar el índice de reproducción cromática, la salida de luz (flujo luminoso) de los LED de diferentes colores debe ajustarse con precisión para simular el espectro continuo de la luz natural, lo que inevitablemente aumenta los costos y trae complejidad técnica.

¿Qué es la eficacia luminosa?

La eficacia luminosa se define como la relación entre el flujo luminoso y la potencia eléctrica de entrada (lm/W), es decir, el flujo luminoso generado por vatio de consumo eléctrico. La fórmula de cálculo es eficacia luminosa = salida de lúmenes / potencia de la luminaria. De esto sabemos que la eficacia luminosa está determinada por dos factores: flujo luminoso y potencia de entrada. La unidad de flujo luminoso es el lumen (lm). Cuanto mayor sea el valor, más luz emite la fuente de luz. Sin embargo, generar flujo luminoso requiere potencia eléctrica en vatios (W). Cuanto mayor sea la relación entre el flujo luminoso y la potencia de la lámpara, más eficiente será la fuente de luz en la conversión de energía eléctrica en energía luminosa, lo que significa que se consume menos energía eléctrica con el mismo brillo y la eficacia luminosa de la lámpara es mayor. La eficacia luminosa de diferentes fuentes de luz (como lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes y LED) varía mucho. La eficiencia luminosa actual del LED convencional puede alcanzar los 230 lm/W. Sin embargo, diferentes longitudes de onda de luz (diferentes espectros) tienen diferentes eficiencias luminosas. Esto se debe a que el ojo humano tiene diferente sensibilidad a las distintas longitudes de onda de la luz. Es más sensible a la luz verde (longitud de onda de aproximadamente 555 nm), mientras que es menos sensible a la luz azul y roja. En la sección anterior, mencionamos que cambiar la proporción de diferentes colores de luz en la luz puede mejorar el IRC. Por esta razón, aumentar excesivamente la luz roja para mejorar el IRC inevitablemente conducirá a una disminución de la eficiencia luminosa.

¿Cómo mejorar la eficacia luminosa?

Mejorar la eficacia luminosa es el objetivo principal del diseño y la fabricación de sistemas de iluminación, lo que implica la optimización de múltiples factores clave. Mediante la fórmula de cálculo, podemos determinar las dos direcciones principales para mejorar la eficacia luminosa. La primera es maximizar el flujo luminoso emitido por los chips LED (con la misma potencia) y la segunda es minimizar el consumo de la lámpara. Para el primer punto, es necesario elegir chips LED con alta eficacia luminosa y, al mismo tiempo, reducir la pérdida de luz en la lámpara, incluyendo la luz atrapada en el interior de la luminaria causada por la lente, el reflector y la estructura de la lámpara. Para el segundo punto, es necesario reducir el consumo de energía, además de los chips LED, que proviene principalmente de la fuente de alimentación. Por lo tanto, es necesario optimizar el diseño de los parámetros eléctricos y seleccionar controladores LED de alta calidad (tecnología de corrección del factor de potencia PFC), entre otros. Además, es necesario prestar atención a la disipación térmica de la lámpara. En general, cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento (Tj) de la lámpara, menor será su eficiencia, lo cual cumple con el requisito de CRI. Al mismo tiempo, una buena disipación del calor también contribuye a ralentizar la degradación de la luz y, por lo tanto, a prolongar la vida útil de la lámpara. Si le interesa saber más sobre cómo mejorar la eficacia luminosa de las lámparas, puede visitar el blog “¿Cómo mejorar la eficacia luminosa?“.

¿Cuál es la relación entre el IRC y la eficacia luminosa?

Como humanos, vemos la luz con nuestros ojos. Estos sensores biológicos especiales tienen muchas partes funcionales. El iris controla la cantidad de luz que entra al ojo ajustando el tamaño de la pupila, que puede expandirse desde un mínimo de 2 mm de diámetro (en condiciones de mucha luz) hasta un máximo de 8 mm de diámetro (en condiciones de oscuridad). Cuando hay mucha luz, se cierra para proteger las células sensibles del ojo; cuando no hay suficiente luz, el iris controla la expansión de la pupila para permitir la entrada de más luz. En nuestros ojos hay millones de diminutas células sensoriales llamadas bastones y conos. Los bastones son responsables de detectar la luz en condiciones de poca luz (visión escotópica), mientras que los conos funcionan mejor en condiciones de mucha luz (como la luz del día) y son responsables de la percepción del color (visión fotópica). Hay tres tipos de conos, cada uno sensible a una longitud de onda específica de luz: conos sensibles a la onda corta (conos S, aproximadamente 420-440 nanómetros, que detectan la luz azul), conos sensibles a la onda media (conos M, aproximadamente 530-540 nanómetros, que detectan la luz verde) y conos sensibles a la onda larga (conos L, aproximadamente 560-580 nanómetros, que detectan la luz roja). La figura a continuación es la función de eficiencia de la luz espectral fotópica; podemos ver que los conos alcanzan un pico a 555 nanómetros, lo que indica que las células cónicas del ojo son más sensibles a la luz amarillo-verde con una longitud de onda de 555 nanómetros. En comparación con otras longitudes de onda de luz, esta longitud de onda de luz produce el mayor brillo.

Gracias al conocimiento relevante de la sección “Cómo mejorar el IRC de la luz LED”, podemos comprender que añadir fósforos a los chips LED puede mejorar el IRC. La iluminación LED de luz blanca suele tener un IRC bajo debido a la ausencia de componentes rojos saturados (es decir, R9) y cian cerca de los 490 nm. Al añadir fósforos rojos, el índice de reproducción cromática del LED puede mejorarse a 80-90 o incluso más. Sin embargo, existe una contradicción: las diferentes longitudes de onda de la luz tienen diferentes eficiencias luminosas. Si bien la adición excesiva de fósforos rojos puede mejorar el IRC, reduce la eficiencia lumínica. Además, muchos países están empezando a limitar los componentes de luz azul (conozca la luz azul en los LED) en los LED (por ejemplo, promoviendo el uso de LED con una temperatura de color de 1800 K). Como se puede observar en la figura a continuación, este ajuste ha provocado un cambio significativo en la composición espectral: la proporción de luz verde se ha reducido considerablemente, lo que resulta en una disminución de la eficiencia lumínica general de la lámpara. Al mismo tiempo, la reducción de la proporción de luz azul también ha tenido un impacto negativo en el IRC. Precisamente debido a las complejas limitaciones entre estos parámetros, el desarrollo de la tecnología LED aún enfrenta numerosos desafíos y aún queda un largo camino por recorrer.

La temperatura también influye en el IRC y la eficacia luminosa. En la sección sobre cómo mejorar el IRC y la eficacia, sabemos que las temperaturas más bajas son mejores para el IRC y la eficacia. ZGSM siempre se ha comprometido con la optimización de la disipación de calor de las luminarias en este sentido. Desde el diseño estructural hasta la prueba de temperatura del punto Ts y el informe de prueba de terceros, ZGSM tiene requisitos estrictos para garantizar que la temperatura de la luminaria se encuentre dentro del rango adecuado. Asimismo, una temperatura razonable también es muy favorable para ralentizar la degradación luminosa de la luminaria. Si le interesa, puede consultar el blog correspondiente “¿Qué es la degradación luminosa?“.

En resumen, en general, cuanto menor sea el IRC, mayor será la emisión de lúmenes. Al consultar la hoja de datos de los LED Lumileds 3030, se observará que al aumentar el CRI de 70 a 80, la emisión de lúmenes disminuirá aproximadamente un 6 %. Al aumentar el índice de reproducción cromática de 80 a 90, la emisión de lúmenes disminuirá aproximadamente un 14-15 %. Vemos que debemos elegir entre IRC y luminosidad: si se necesita un índice de reproducción cromática alto, se debe reducir el requisito de eficiencia luminosa. Si bien la tarea de mejorar el IRC y la eficiencia luminosa solo puede dejarse en manos de los fabricantes de LED para una mayor investigación. Una es la mezcla de fósforos y la otra es reducir la acumulación de temperatura en los chips LED (Más información sobre la temperatura de trabajo de los LED y el controlador LED). Como fabricante de luminarias, debemos informar verazmente a nuestros clientes sobre este hecho y, al mismo tiempo, diseñar la luminaria de forma razonable para evitar los efectos adversos de las altas temperaturas en el IRC y la luminosidad. ZGSM ha optimizado soluciones técnicas para mantener un equilibrio entre la eficacia y un espectro de IRC alto, y ha desarrollado diversas soluciones. A continuación, se presentan los diferentes productos LED de ZGSM. Si le interesa, puede obtener más información.

Resumen

Este artículo presenta principalmente dos factores clave en el campo de la iluminación LED: el índice de reproducción cromática (IRC) y la eficacia luminosa. El primero mide la capacidad de una lámpara para mostrar el color real de un objeto. Sabemos que el IRC de una lámpara se puede mejorar utilizando diferentes proporciones de fósforo y optimizando la disipación térmica. El segundo se refiere a la eficiencia de la lámpara al convertir la energía eléctrica en energía luminosa. Mediante el uso de chips LED eficientes y controladores LED de alta eficiencia de conversión, podemos mejorar la eficacia luminosa de la lámpara. Sin embargo, los usuarios a menudo deben elegir entre un IRC alto y una eficacia luminosa alta. Si se requiere una lámpara con un IRC alto, la eficiencia será baja. Si se requiere una solución de alta eficiencia, a menudo es necesario hacer concesiones en cuanto al IRC. Por supuesto, también se puede optar por una solución con un IRC alto y una alta eficiencia, pero a menudo se requiere un mayor costo. La solución de iluminación LED de ZGSM logra un alto índice de reproducción cromática (según los requisitos del proyecto) y lámparas LED de alta eficiencia mediante la selección de cuentas de lámpara con alto índice de reproducción cromática y la optimización del diseño de la lámpara, como CRI80 y una eficacia lumínica superior a 160 lm/w. Esta solución abarca la iluminación de carreteras, estadios (más información sobre las soluciones de iluminación deportiva de ZGSM), estacionamientos e iluminación industrial, entre otros. Si le interesan nuestras soluciones de iluminación, consúltenos para obtener más información.

Preguntas Frecuentes

Introducción del autor