Las sistemas de iluminación dinámicos con fuentes de luz ajustables utilizan diferentes mecanismos para ajustar la iluminancia y la cromaticidad, que van desde simples controles de una sola señal (por ejemplo, lámparas que solo se regulan en tónos de color cálidos ‘Dim to Warm’) hasta sofisticados sistemas de retroalimentación que están diseñados para mantener un entorno de iluminación constante.
Un factor a tener en cuenta es que las luminarias o lámparas LED cambian su rendimiento con el tiempo debido a varios factores como la depreciación del flujo luminoso, los cambios en las coordenadas de cromaticidad o las alteraciones en los drivers. Una solución a este problema es un sistema de iluminación controlado por sensores diseñado para compensar estos cambios relacionados con el envejecimiento. Sin embargo, no se ha investigado activamente el impacto de los cambios en los sensores del control a lo largo del tiempo sobre la fiabilidad del dispositivo LED. Una nueva investigación del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), ha evaluado el rendimiento y fiabilidad iniciales de estos sensores de cromaticidad utilizadas en sistemas con fuentes de luz ajustables.
El informe examina el rendimiento inicial y las características de envejecimiento, bajo ensayos de estrés acelerado, de un sensor comercial de iluminancia y cromaticidad para su uso en sistemas de control de iluminación con sensores incorporados. Los resultados muestran cómo este tipo de sensores tienen una alta fiabilidad, incluso en condiciones de ensayo relativamente duras. Solo una muestra ensayada mostró un fallo paramétrico después de 5.000 horas en la condición de prueba más severa, que dio lugar a un gran aumento de las coordenadas de cromaticidad y una disminución significativa de la temperatura de color.
Sistemas de fuentes de luz regulables y el papel de los sensores
Los sistemas con fuentes de iluminación ajustables son aquellos que pueden cambiar las propiedades de la salida de luz (por ejemplo, iluminancia, temperatura de color correlacionada ‘TCC’) en respuesta a uno o más estímulos de control. Estos sistemas suelen emplear dos o más diodos emisores de luz (LED) primarios y el cambio de las propiedades de salida de la luz se consigue variando la corriente entre los LED primarios.
Un LED primario es un grupo de LEDs conectados del mismo color. Estos sistemas ajustables suelen tener dos o más LED primarios, pudiendo ser LEDs blancos de diferentes temperaturas de color o pueden ser LEDs de diferentes colores saturados (por ejemplo, rojo, verde, azul). Un cambio en la corriente total que fluye hacia estos LEDs primarios produce un cambio en el nivel de iluminancia, mientras que los cambios en la TCC pueden lograrse cambiando la distribución de la corriente entre los LEDs primarios. La arquitectura de la fuente de luz ajustable determina cómo se aplican los estímulos de control, existiendo múltiples estructuras que emplean uno, dos o más estímulos de control utilizados en diferentes sistemas de luz ajustable, tal como se pueden ver en la siguiente figura:
En estudios anteriores se ha demostrado que el envejecimiento de las fuentes de luz y de los drivers afecta al rendimiento global de estos sistemas de luz ajustable. En aquellos sistemas que utilizan sensores en los mecanismos de control, los cambios de rendimiento del mismo también podrían afectar su rendimiento general. Si el sensor presenta cambios excesivos o desviaciones de las mediciones que realiza a lo largo del tiempo, pueden producirse problemas relacionados con una iluminancia insuficiente o un color de luz no deseado. El impacto de estos problemas sería especialmente notable en las instalaciones de control a nivel de luminaria, porque cada luminaria podría tener una iluminancia o TCC diferentes. Por lo tanto, es importante conocer las características a largo plazo de estos sensores para comprender mejor la capacidad de estos sistemas de iluminación de ofrecer de forma constante la misma calidad de luz a lo largo de la vida útil prevista del producto.
Lo ideal es que todos los sensores de estos sistemas proporcionasen la misma lectura de iluminancia y cromaticidad cuando son nuevos. Sin embargo, esta situación no es probable, y las lecturas iniciales de iluminancia y cromaticidad se distribuirán aproximadamente en un valor medio según las estadísticas de la población para ese sensor. Si la fiabilidad inicial de los sensores es buena, la variación de las lecturas iniciales del sensor será baja (es decir, la desviación estándar en torno al valor medio será baja). A medida que el sensor se somete a un envejecimiento acelerado, cabe esperar que la variación de las lecturas del sensor aumente hasta el punto de que se produzca un cambio estadísticamente significativo en la media de la población con respecto a la lectura inicial. Los cambios estadísticamente significativos en las lecturas del sensor son necesarios para el fallo paramétrico, pero no indican necesariamente un fallo paramétrico porque la importancia estadística también es una función de la reproducibilidad del sistema de medición. En el caso de este estudio, se clasifica un fallo paramétrico para un sensor como una desviación del 20% o más en la iluminancia observada con respecto a la iluminancia media de la población inicial o un cambio de cromaticidad de ∆u’v’ ≥0,004. Por lo tanto, cualquier sistema de medición debería producir desviaciones estándar mucho más bajas que estos valores umbral.
Ensayos de estrés acelerado de los sensores
El sensor examinado durante el estudio consiste en una serie de seis fotodiodos. Cada fotodiodo está cubierto con un filtro de interferencia gaussiano diferente, y estos filtros se fabrican utilizando películas delgadas inorgánicas. Las combinaciones de fotodiodos y filtros de interferencia están diseñadas para promover una respuesta selectiva a diferentes longitudes de onda. Lo más importante para el uso de este sensor en aplicaciones de iluminación son que los fotodiodos están diseñados para proporcionar respuestas según los valores triestímulos X, Y y Z del observador estándar de 2 grados de la convención de 1931 de la Comisión Internacional de Iluminación (CIE). Los parámetros de iluminación comunes, como la iluminancia, la temperatura de color correlacionada (CCT) y las coordenadas de cromaticidad (por ejemplo, x, y, u’, v’) pueden calcularse fácilmente a partir de la respuesta de los fotodiodos sensibles al triestímulo.
El sensor de cromaticidad y otros componentes se colocaron en una placa de circuito impreso (PCB) según el diseño de referencia del fabricante del sensor. Los dispositivos de los sensores sometidos a prueba se dividieron en diferentes poblaciones, y cada población se expuso a una prueba de estrés acelerado.
Después de cada 1.000 horas de exposición, los dispositivos fueron retirados del entorno de exposición y se recogieron mediciones fotométricas de su rendimiento. Actualmente, no se conocen métodos estandarizados para evaluar los sensores de cromaticidad. Para realizar este estudio, fue necesario desarrollar un método de prueba que garantizara una excelente reproducibilidad para determinar cuándo se produce un fallo paramétrico. El aparato de pruebas fotométricas desarrollado para este estudio consistía en un banco óptico con una lámpara de reflector aluminizado parabólico (PAR) de un valor CCT fijo en un extremo y una placa lectora que contenía el módulo sensor a prueba en el otro extremo.
Resultados
Los resultados de los ensayos muestran cómo las lecturas iniciales de todos los sensores de prueba eran similares, con una distribución ajustada de las lecturas en toda la población de prueba. Las lecturas variaron <3% para la iluminancia y <1% para la TCC. Estos resultados sugieren que la fiabilidad inicial era realmente alta, como indica la excelente reproducibilidad de las lecturas de los sensores.
Se comprobó que el ángulo de incidencia de la luz sobre las nuestras era el que más influía en la lectura inicial. Durante la prueba inicial sin un difusor de luz delante del sensor, la reproducibilidad entre muestras era escasa, y habría sido difícil determinar cualquier cambio estadísticamente significativo en los sensores resultante de la exposición al ensayo de estrés acelerado. Sin embargo, la adición de una película difusora de luz delante mejoró significativamente la reproducibilidad de las mediciones entre muestras, permitiendo así sacar conclusiones estadísticamente válidas.
En general, el sensor de cromaticidad examinado durante el estudio mostró una excelente fiabilidad durante las 5.000 horas de exposición a los ensayos de estrés acelerado. No se produjeron fallos bruscos y sólo una muestra presentó un fallo paramétrico durante este periodo de exposición. Por lo demás, los valores de cromaticidad y TCC medidos estuvieron dentro de ∆u’v’ <0,001 y ∆TCC ≤50 K de la medición independiente de la fuente de luz con un espectrómetro de fibra óptica.
El fallo paramétrico se produjo en solo una muestra después de someterla al ensayo de estrés acelerado 7575 ( entorno de 75º de temperatura y 75% de humedad relativa) con una tasa de fallo de 12,5%. El fallo se caracterizó por una gran desviación (aproximadamente 0,010) en la medición de +v’ y una desviación de la lectura de TCC que oscilaba entre -80 K y -350 K, dependiendo del valor de TCC de la lámpara PAR utilizada para caracterizar la muestra. Los valores de iluminancia y u’ medidos se mantuvieron aceptables durante 5.000 horas del ensayo 7575. -2. Dado que la iluminancia es sólo un parámetro utilizado para caracterizar un sistema de de este tipo, no parece ser un parámetro demasiado sensible a los cambios en el rendimiento del sensor.
El impacto de un fallo paramétrico como el observado en una luminaria con sistema de luz ajustable provocaría que el sistema de control de la misma ajustase su salida de luz a unos parámetros diferentes a las otras luminarias cercanas. En particular se desplazaría al azul para compensar las lecturas desplazadas hacia el amarillo del sensor de cromaticidad. Este tipo de fallo produciría un desajuste significativo en los valores de v’ y CCT de la luminaria en comparación con las luminarias vecinas, y estas diferencias serían visibles para un observador; sin embargo, los valores de iluminancia no cambiarían significativamente.
Estos resultados vienen a demostrar cómo el paso de las mediciones de iluminación tradicionales, que implican principalmente la iluminancia superficial y vertical, a los sistemas de iluminación dinámicos que controlan la iluminancia, la cromaticidad y el CCT requerirá una mayor comprensión del rendimiento a largo plazo de los sensores que controlan dichos sistemas y los cambios en su fiabilidad causados por el envejecimiento y la exposición ambiental. El DOE tiene previsto realizar más estudios sobre este campos para evaluar los impactos de estos mecanismos de control en el rendimiento a largo plazo del sistema de iluminación.
Puede consultar el estudio completo en el siguiente enlace:
https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/11/f80/ssl-rti-chromaticity-sensors-sep2020.pdf
