Luz de techo LED de pantalla plana ultrafina con iluminación de borde

Panel de luz LED|Luz de techo LED de pantalla plana ultrafina con iluminación de borde

Un panel de luz LED es un panel totalmente luminoso de perfil bajo que utiliza tecnología LED de iluminación lateral para brindar una iluminación directa (hacia abajo) uniforme, suave y visualmente cómoda. Funcionalmente hablando, es un troffer de panel plano. Los troffers son luminarias cuadradas, rectangulares o lineales que se instalan en el techo y distribuyen la luz únicamente hacia abajo. Son caballos de batalla en oficinas, hospitales, escuelas e instalaciones comerciales donde las luminarias de techo son la fuente principal de iluminación ambiental y de tareas. El objetivo de la iluminación en estos espacios es permitir que los ocupantes vean sus tareas visuales de manera fácil y cómoda mientras se abordan las preocupaciones económicas y ambientales y se tienen en cuenta las consideraciones arquitectónicas. Sin embargo, durante mucho tiempo, esta ha sido una misión imposible debido a las limitaciones inherentes de las tecnologías de iluminación convencionales.

El dilema de la iluminación directa con el diseño óptico convencional

La iluminación general en espacios comerciales e institucionales es proporcionada de forma ubicua por luminarias de tipo directo que proporcionan del 90 al 100 por ciento de luz descendente. En contraste con los sistemas generales de iluminación indirecta y difusa, las luminarias de tipo directo son más eficientes para entregar luz a un plano de trabajo horizontal. A menudo, son la única opción para espacios con alturas de techo bajas, que se encuentran en edificios con techos mecánicos suspendidos (es decir, falsos techos). Sin embargo, lograr una iluminación de calidad en espacios cargados de tareas como oficinas, aulas y laboratorios implica más que simplemente especificar el nivel de iluminancia. La mitigación del resplandor, las sombras y otros efectos visuales indeseables es igualmente importante. En espacios interiores donde las personas pasan mucho tiempo trabajando o aprendiendo, la iluminación es un elemento crítico del diseño que puede mejorar o degradar la productividad organizacional, la concentración de tareas, la satisfacción ambiental y laboral, las interacciones sociales, las percepciones estéticas, la seguridad y la protección.

En el pasado, la iluminación directa con luminarias diseñadas de manera convencional se enfrentaba al desafío de mejorar la uniformidad y reducir el deslumbramiento molesto. Se han utilizado varios componentes ópticos, por ejemplo, reflectores, difusores, lentes y persianas, para controlar el deslumbramiento desde el ángulo de visión no deseado o para reducir la luminancia excesivamente alta de la interfaz de emisión. Los sistemas ópticos para luminarias fluorescentes basadas en lámparas son bastante voluminosos e ineficaces. Los LED pueden ser particularmente desafiantes en el diseño de luminarias de iluminación directa. Por la naturaleza misma de su diseño y funcionamiento, los LED son fuentes de luz de alta densidad de flujo que producen una salida de luz concentrada. Incluso con un blindaje difuso, estas fuentes de luz puntuales aún pueden crear puntos calientes de luz enfocada que restarían atractivo visual a un accesorio. El alto nivel de difusión afecta la transmisión de luz LED debido a las grandes pérdidas por dispersión. Como tal, el diseño óptico convencional de la iluminación directa implica varios compromisos.

Tecnología de borde iluminado

La tecnología Edge-lit aprovecha la tecnología de guía de luz, así como las características exclusivas de los LED. Se coloca una matriz de LED en miniatura a lo largo de dos o cuatro bordes de un panel de guía de luz (LGP). La luz emitida por los LED se acopla al LGP y se transporta dentro de la guía de luz a una distancia deseada a través de la reflexión interna total (TIR). La guía de luz tiene puntos de interrupción que permiten que escape la luz capturada por la guía de luz. Estos puntos de extracción de luz se distribuyen de manera que permitan una distribución uniforme de la luz que se escapa detrás de un reflector trasero. La guía de luz refracta los haces hacia un difusor opal que proporciona una distribución lambertiana de la luz. La combinación óptica de reflexión total, refracción y dispersión lambertiana permite que la luz de alta intensidad emitida por los LED montados en el borde se extraiga y distribuya uniformemente a través de una superficie de emisión.

Con la llegada de la iluminación LED de borde iluminado, nunca ha habido un mejor momento para deshacerse de los troffers fluorescentes que requieren mucho mantenimiento y también de las luminarias LED de iluminación directa visualmente desagradables. La tecnología Edge-lit permite a los diseñadores de luminarias crear dispositivos de emisión de superficie con fuentes puntuales de LED. Una luminancia suave y agradable sin sombras marcadas en todo el tramo de un panel de luz ofrece un confort visual sin precedentes que es imposible con los diseños convencionales. Los paneles LED Edge-lit producen distribuciones de luz extremadamente uniformes que son muy deseadas en aplicaciones de iluminación general. El diseño de emisión lateral permite la mezcla de colores dentro de la guía de luz, lo que soluciona el problema de la uniformidad del color que puede ser evidente en las luminarias LED de iluminación directa cuando hay desviaciones de color entre los LED.

En las luminarias LED de iluminación directa que emplean un difusor, el módulo LED debe colocarse a una distancia mínima del difusor para evitar los puntos calientes de los LED. Dado que los sistemas ópticos de borde iluminado ya no necesitan tal distancia de retroceso y los LED están montados lateralmente dentro de la luminaria, las luces del panel LED se pueden hacer ultradelgadas con una profundidad de menos de 10 milímetros. El perfil ultrafino permite instalaciones en plenums de techo muy poco profundos.

Construcción

Un panel de luz LED con borde iluminado se compone de un conjunto óptico multicapa y un conjunto de marco de aluminio. El sistema óptico multicapa normalmente incluye un difusor inferior, un panel de guía de luz y un reflector blanco. El conjunto óptico y una placa trasera superior de acero que protege el conjunto óptico están asegurados por un marco de aluminio ranurado. Dentro del marco de aluminio se montan módulos LED lineales con las superficies emisoras de luz de los LED orientadas hacia el extremo de entrada de una guía de luz. El marco de aluminio brinda soporte mecánico para el ensamblaje óptico, acomoda los módulos LED y protege los LED de la vista directa, y funciona como un disipador de calor para extraer el calor residual lejos de la unión de semiconductores de los LED.

Panel de guía de luz (LGP)

La guía de luz juega un papel clave en el rendimiento fotométrico de un panel de luz LED con iluminación lateral. Se encarga de capturar y transportar la luz emitida por los LEDs y luego extraerla hacia la dirección deseada en una matriz de haz uniforme. Para obtener la máxima eficiencia de captura de la luz LED, el extremo de entrada de luz de una guía de luz debe diseñarse con una interfaz de acoplamiento que coincida con el patrón de radiación y la configuración del paquete de los LED acoplados. Una práctica común es colocar paquetes LED SMD sin lentes muy cerca de una superficie de acoplamiento pulida en un LGP con un grosor al menos igual al LES de los LED. La eficiencia TIR de la guía de luz se rige por el índice de refracción del material y la reflectancia de la superficie límite de la guía. Cuanto mayor sea el índice de refracción y la reflectancia, mejor será la eficiencia TIR. El elemento más importante de una guía de luz es el patrón óptico de los puntos de extracción de luz. La extracción de luz es el factor principal para determinar la eficiencia de la guía de luz, así como la distribución de luz del panel LED. El patrón óptico se puede grabar con láser, grabar en relieve térmicamente, moldear por inyección o imprimir. Las ranuras de corte en V, los puntos grabados, los puntos impresos y los elementos basados ​​en píxeles son los patrones de extracción de luz más utilizados en los LGP.

LGP con LED bombeando desde el lateral (Imagen cortesía de Yongtek)

Los LGP están hechos de polímeros ópticamente transparentes, como policarbonato (PC) o acrílico (PMMA). El policarbonato ofrece estabilidad térmica superior, resistencia a la ignición y durabilidad en comparación con las resinas acrílicas. Sin embargo, el acrílico es una opción de material líder para los LGP debido a su costo relativamente bajo, alta transmisión de luz y buena estabilidad UV. Las desventajas del acrílico son su mayor tendencia a decolorarse en condiciones de alta temperatura de funcionamiento y alta absorción de agua. Mientras que los LGP acrílicos tienen una vida útil de 4 a 8 años, según el entorno operativo, los LGP fabricados con poliestireno (PS) se amarillean en dos años debido a la fotoestabilidad y el rendimiento térmico deficientes del polímero de poliestireno. A pesar de su alta probabilidad de decoloración rápida del polímero que literalmente anuncia el final de la vida útil de la luminaria, los PS LGP todavía se usan ampliamente en paneles de luces LED fabricados para el mercado de nivel de entrada simplemente debido a su costo significativamente más bajo en comparación con PC y LGP acrílicos.

Mantenimiento de lúmenes

Los paneles de luces LED con iluminación de borde utilizan LED de potencia media de varios tipos, incluidos SMD 2835, 3014, 4014, 3528, 5630, 2016, etc. la plataforma del paquete, son de varias calidades. Los paquetes de PLCC suelen tener una alta eficacia inicial porque la cavidad de plástico reflectante y el revestimiento del marco de conexiones permiten una extracción de luz de alta eficiencia. Sin embargo, los paquetes de PLCC pueden exhibir una rápida depreciación de lúmenes, especialmente considerando que las luces de panel LED a menudo usan LED de calidad media o baja como con otros productos de iluminación interior producidos en masa. Los materiales de embalaje, como la poliftalamida (PPA) o el tereftalato de policiclohexilendimetileno (PCT) para la cavidad reflectante, el marco de plomo plateado, los fósforos y el encapsulante, son propensos al deterioro bajo altas tensiones térmicas y/o ambientales.

El mantenimiento de la luz de un panel de luz LED generalmente depende de tres variables: el mantenimiento de la luz LED, la gestión térmica y la corriente de accionamiento. Un mantenimiento de lumen prolongado de la fuente de luz bajo las condiciones de prueba LM-80-15 (temperatura de la caja de 55 o 85 grados) es el requisito previo para una vida útil prolongada del sistema. Las resinas plásticas mejoradas, como el compuesto de moldeo epoxi (EMC), permiten que los LED de potencia media funcionen a temperaturas más altas. La gestión térmica de los LED está determinada por el rendimiento de refrigeración por conducción y convección del marco de aluminio. El marco de aluminio debe tener un área de superficie adecuada para garantizar que su tasa de transferencia térmica supere la tasa de carga (a la que se introduce energía térmica en la unión de los LED). La corriente de la unidad debe administrarse adecuadamente para evitar la acumulación térmica como resultado de la sobrecarga de los LED.

Estabilidad del color

En comparación con la depreciación del lumen, el cambio de color es más preocupante para las luces de panel LED con iluminación de borde. La degradación térmica, la fotooxidación y otros mecanismos de deterioro ocurren no solo en los paquetes LED de plástico, sino también en el sistema óptico multicapa que está hecho de materiales poliméricos. Por lo tanto, las luces del panel LED pueden sufrir más mecanismos de deterioro que otro tipo de luminarias LED. La depreciación del lumen y el cambio de color suelen ser consecuencias simultáneas de estos mecanismos de falla. Si bien la depreciación del lumen es la reducción gradual del flujo luminoso a lo largo del tiempo, el cambio de color puede provocar decoloraciones significativas que podrían hacer que la calidad de la luz sea inaceptable.

La dirección del cambio de color puede indicar los mecanismos de degradación/deterioro que están activos. Un cambio en la dirección azul puede estar relacionado con la decoloración de la resina plástica, la pérdida de eficiencia cuántica del fósforo, el funcionamiento del fósforo por encima del nivel de flujo de saturación, el asentamiento y la precipitación del fósforo, daños mecánicos como grietas en la interfaz fósforo-aglutinante. La fotooxidación y la degradación térmica de las guías de luz, lentes y difusores conducen a un cambio de color hacia la dirección amarilla. Un aumento en la eficiencia del fósforo también puede ir acompañado de un cambio de color hacia el amarillo. Un cambio a verde es una indicación de cambios químicos en el fósforo, como la oxidación del fósforo rojo nitruro que cambia la intensidad de emisión a longitudes de onda más cortas. Los desplazamientos hacia el rojo tienen cierta similitud con los desplazamientos hacia el verde en el sentido de que pueden atribuirse a cambios espectrales en el fósforo, posiblemente debido al envejecimiento térmico del compuesto de fósforo silicona/YAG o la extinción de algunos fósforos.

La entrada de humedad a menudo puede ser un acelerador de los cambios espectrales en los LED. La mayoría de los LED usan aglutinantes de silicona que tienen una alta permeabilidad al agua. Cuando las luces del panel LED funcionan en entornos de alta humedad, la humedad puede difundirse hacia el interior de los compuestos de fósforo de silicona/YAG. La presencia de humedad da como resultado la oxidación del fósforo rojo de nitruro y hace que el color de la emisión de LED blanco cálido se desplace hacia la región espectral verde. Se sabe que la absorción de humedad es la causa principal de la deslaminación de la interfaz entre la matriz y el encapsulante de silicona. El espacio de aire resultante entre el chip y el fósforo exige una conversión descendente adicional de los fotones azules a longitudes de onda más largas. Esto termina con un cambio de color hacia la dirección amarilla.

Temperatura del color

Los paneles de luces LED se utilizan para proporcionar una iluminación general que rellene las sombras, brinde orientación y apoye el rendimiento visual. El color de la luz emitida por estas luminarias de techo sienta las bases para el esquema de color de un espacio. El esquema de color, a su vez, afecta la simpatía del espacio y la interpretación subjetiva de las atmósferas. La buena iluminación no solo fomenta grandes atmósferas y crea ambientes visualmente agradables, sino que también tiene un efecto biológico positivo y no representa un riesgo fotobiológico. Todos estos objetivos de diseño de iluminación están estrechamente asociados con la temperatura de color correlacionada (CCT) de la luz. El uso de luz blanca fría está bien justificado para aplicaciones comerciales, de oficina, educativas y minoristas para las que están diseñadas las luces de panel LED. Sin embargo, los consumidores sin educación se han acostumbrado a la luz blanca extremadamente fría que proporcionan las lámparas fluorescentes. A pesar de que los LED son muy flexibles en la salida espectral, los fabricantes asiáticos continúan vendiendo productos de alto CCT por consideraciones de costo y eficacia.

Los seres humanos no deben exponerse durante mucho tiempo a la luz que tiene un CCT superior a 5300 K. CCT es altamente predictivo del contenido de luz azul. La luz blanca cálida contiene menos longitudes de onda azules en su espectro de luz. La luz blanca fría es rica en contenido azul. La luz blanca en el lado frío de la escala CCT (6000 K a 6500 K) no representa un peligro fotobiológico bajo las limitaciones de comportamiento normales (Grupo de riesgo 1). Sin embargo, eso no significa que la seguridad de la radiación óptica esté garantizada. En el entorno de iluminación de CCT alta y de intensidad excesivamente alta, algunas poblaciones, como los bebés que aún no han desarrollado respuestas de aversión, pueden estar en riesgo de peligro de luz azul.

La preocupación más práctica de la iluminación de alta CCT es la interrupción circadiana. La gente a menudo trabaja o estudia hasta altas horas de la noche. Por la noche y en condiciones de oscuridad, la glándula pineal libera melatonina que participa en los procesos metabólicos del cuerpo. La luz blanca fría con un porcentaje muy alto de azul suprime la liberación de melatonina, alterando así el ritmo día/noche y afectando las funciones metabólicas. De hecho, la luz blanca moderadamente fría (alrededor de 4100 K) tiene un contenido azul lo suficientemente alto como para mantener la supresión de la melatonina y reducir la somnolencia durante el día, al tiempo que estimula la liberación de dopamina, cortisol y serotonina para mejorar el rendimiento, la vitalidad y la concentración.

Iluminación blanca sintonizable

Los estudios emergentes sobre los efectos fisiológicos y psicológicos de la luz dan un impulso sin precedentes al diseño de luminarias sintonizables CCT. Los sistemas de LED blancos sintonizables proporcionan controles de temperatura de color variable desde luz blanca cálida hasta luz blanca fría. Con una solución blanca sintonizable, el concepto de iluminación centrada en el ser humano (HCL) se puede implementar para apoyar la salud, el bienestar y el rendimiento de los seres humanos. Los cambios dinámicos en los niveles de luz y los CCT de la luz natural están registrados genéticamente en la biología humana como un sistema de relojes internos, lo que se conoce como ritmo circadiano. La interrupción del ritmo circadiano interrumpirá los procesos biológicos en nuestro cuerpo y tendrá consecuencias negativas para la salud. Un rango de temperaturas de color continuamente ajustable desde, por ejemplo, 2700 K a 6500 permite la creación de escenas que ayudan a sincronizar el ritmo circadiano humano con el curso natural del día. La iluminación blanca sintonizable también permite la configuración de un ambiente específico para diferentes eventos o tareas y, por lo tanto, la creación de entornos psicológicamente estimulantes. La iluminación blanca sintonizable se logra mediante la mezcla de colores de LED de diferentes CCT. Los LED son operados por un controlador multicanal controlable por varios protocolos, incluidos DALI, DMX o 0-10V.

Reproducción de color

El rendimiento de reproducción cromática de los paneles de luces LED se compara con el costo y la eficiencia en función de las necesidades particulares de la aplicación. La precisión con la que una fuente de luz muestra los colores de un objeto en comparación con la luz natural depende de su distribución de potencia espectral (SPD). Para que los LED produzcan una luz que reproduzca los colores fielmente, una gran cantidad de longitudes de onda cortas emitidas por el chip semiconductor deben convertirse a longitudes de onda más largas para reproducir colores saturados. La conversión descendente de la longitud de onda va acompañada de la pérdida de energía de Stokes que, en última instancia, compromete la eficiencia luminosa. Para entregar energía radiante bastante amplia en todo el espectro visible, se deben usar más fósforos de conversión, y esto suma el costo del empaque de LED.

Los productos de iluminación general suelen tener una reproducción de color mediocre, y los paneles de luces LED no son una excepción. Un índice de reproducción cromática (CRI) de 80 es típico de las luces de panel LED. Este rendimiento de reproducción de color es suficiente para realizar tareas que no son críticas para el color. Sin embargo, muchas tareas requieren una alta reproducción cromática de la fuente de luz. Los LED de 80 CRI a menudo pueden causar distorsión de color debido a la falta o una cantidad inadecuada de longitudes de onda en las zonas de color saturadas. Para que un espacio se vea agradable y que los colores parezcan naturales, se deben emplear paneles de luces LED con un CRI de 90 o más. El rendimiento de reproducción de colores saturados (R9 a R14), que no se refleja en el CRI general, también debe cumplir con los requisitos mínimos.

Uniformidad de color

Cuando se instalan paneles de luces LED en grandes volúmenes en un solo proyecto, las variaciones de color de una luminaria a otra deben tenerse en cuenta en los diseños de las luminarias. Para garantizar que no haya diferencias de color notables entre varias luminarias, los LED utilizados en todas las luminarias instaladas dentro de un espacio se agrupan por su cromaticidad (temperatura de color) y, a veces, por su flujo luminoso y voltaje directo. Una elipses de MacAdam de 5 a 7 (5 - 7 SDCM) es actualmente representativa de la tolerancia de variación de color en aplicaciones de iluminación general.

Control de deslumbramiento

Dado que las luces del panel LED tienen una gran superficie de emisión, la luminancia en todos los ángulos de visión cerca de la horizontal es tan alta como mirar directamente hacia el panel luminoso. En una oficina grande, esto dará como resultado un deslumbramiento molesto y posibles reflejos en las pantallas especulares de VDT. Para abordar este problema, se agrega un difusor microprismático al sistema óptico multicapa. El difusor microprismático presenta estructuras geométricas como pirámides, hexágonos y crestas triangulares. Las configuraciones prismáticas permiten proteger el deslumbramiento del campo de visión en ángulos más altos. Cuando el alto confort visual es primordial, las luces del panel LED están diseñadas para ofrecer una clasificación de deslumbramiento unificado (UGR) de 19 o menos.

Panel de luz UGR < 19 LED (Difusor microprismático)
Imagen cortesía de Powersave Solutions Italia

Controlador LED

Las luces del panel LED funcionan con un controlador remoto que proporciona una salida de corriente constante a través de una fuente de alimentación de modo de conmutación (SMPS). En una configuración de controlador típica, un puente rectificador convierte la alimentación de CA entrante en alimentación de CC. El condensador suaviza el residuo de la entrada de CA que aparece en la salida como una variación o una ondulación. Se coloca un circuito de corrección del factor de potencia activo (PFC) a la salida del puente rectificador para corregir los errores de fase y reducir los armónicos. Un regulador de conmutación proporciona una regulación y un control estrictos de la salida de corriente proporcionada a la carga de LED mediante una topología como reductora, elevadora, reductora-elevadora, flyback o SEPIC. La regulación de conmutación produce interferencia electromagnética (EMI) que debe suprimirse mediante circuitos adicionales y un diseño cuidadoso de la placa de circuito.

Los controladores SMPS están diseñados como sistemas rentables de una etapa o como sistemas de dos etapas de última generación. Los controladores de una sola etapa combinan la función de PFC y convertidor DC-DC en un solo circuito. Los controladores de dos etapas incluyen dos circuitos separados para la regulación AC-DC/PFC y DC-DC, respectivamente. Los circuitos de una sola etapa son simples pero generalmente sufren de una gran fluctuación de corriente. El diseño de dos etapas se ve desafiado por el alto número de componentes, la complejidad del circuito y el costo de fabricación. Sin embargo, los controladores de este tipo son capaces de entregar a su carga un voltaje de CC regulado con precisión que tiene ondas muy pequeñas y maneja grandes fluctuaciones en la alimentación de CA entrante.

La atenuación continua de las luces del panel LED generalmente se logra mediante la atenuación de reducción de corriente constante (CCR), también conocida como atenuación analógica. El método CCR ajusta la salida de luz variando la corriente de excitación alimentada a los LED. El circuito de atenuación a menudo se controla a través del protocolo 0-10V. 0-10Los controladores controlados por V generalmente proporcionan una atenuación suave hasta un 10 por ciento. Para aplicaciones que requieren un CCT constante en todo el rango de atenuación, la modulación de ancho de pulso (PWM) es un enfoque viable. Los controladores PWM proporcionan pulsos digitales de diferentes anchos para atenuar los LED.

Parpadeo

Los controladores de LED deben diseñarse no solo para operar con una alta eficiencia, sino también para generar ondas mínimas en la corriente de salida suministrada a la carga de LED. La ondulación residual es la causa del parpadeo de la luz a una frecuencia del doble de la frecuencia de la línea de alimentación (por ejemplo, 120 Hz o 100 Hz). La exposición prolongada al parpadeo fatigará el ojo humano, reducirá el rendimiento de la tarea visual e incluso desencadenará síntomas como dolores de cabeza, migrañas y ataques epilépticos en algunas poblaciones. Por lo general, se produce una gran ondulación de corriente en las salidas producidas por controladores de una sola etapa de bajo costo debido a la supresión incompleta de la forma de onda alterna después de la rectificación. A pesar de que el costo a menudo supera la calidad de la luz, el parpadeo de la luz debe controlarse estrictamente, especialmente considerando que las luces del panel LED tienen una superficie de emisión más grande que a menudo está en el campo de visión. Para una salida de luz suave, el valor de ondulación actual debe reducirse al mínimo (menos de ±10 por ciento). Cuando la luminaria funciona con una frecuencia de 120 Hz, el porcentaje de parpadeo (modulación de parpadeo) debe ser inferior al 10 por ciento, y preferiblemente inferior al 4 por ciento.

Tamaño e instalación

La mayoría de los paneles de luces LED con iluminación lateral diseñados para instalarse en falsos techos tienen un tamaño nominal de 2' x 2' o 600 x 600 mm. 2' x 4' o 600 x 1200 mm es otro tamaño comúnmente ofrecido. El tamaño real de la luminaria es ligeramente más pequeño. Los paneles de luces LED vienen con opciones de montaje para integrarse en sistemas de techo con rejilla en T o para instalarse en paneles de yeso o yeso con kits de bridas de accesorios. Estas luminarias de perfil bajo también se pueden montar en la superficie usando kits de marcos accesorios o suspendidas usando soportes de cable para aviones.

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