El sistema óptico es uno de los componentes principales que conforman una unidad de iluminación LED, siendo de primordial importancia la distribución fotométrica y la eficacia del sistema.
La premisa inicial es: el LED, entendido como un solo componente, casi nunca emite luz en la dirección y en la forma deseada: en general, la distribución de la luz de un LED sin óptica secundaria está dada por una cúpula protectora que actúa como una lente primaria y como una protección de los materiales que lo conforman contra los agentes atmosféricos, que puedan causar la oxidación.
LED + óptica primaria
La distribución fotométrica dada por la óptica primaria o por el LED "desnudo" pueden ser considerados, con una buena aproximación, del tipo "Lambert".
Diagrama de distribución polar de la intensidad de un LED típico sin óptica secundaria
Para cambiar la forma del sòlido fotomètrico es necesario utilizar, en general, una lente secundaria.
Por definición, las ópticas secundarias para la iluminación LED se utilizan para concentrar y canalizar la luz. En este contexto, toda la parte de la ingeniería y la transformación se ha producido rápidamente, también en cuanto a los materiales para construirlas, pero las macro-familias en las que se dividen son sustancialmente dos:
LENTE sujeta a la ley de la refracción y reflexión interna total (TIR)
lente típica para LED
REFLECTOR sujeto a la ley de la reflexión
Reflector LED típico
También hay sistemas híbridos que utilizan lentes y reflectores juntos y otros sistemas que utilizan diafragmas colocados como óptica secundaria, capaces de dar forma a la luz.
La reflexión y la refracción de la luz
Los sistemas secundarios para modificar la forma de la fotometría se basan en principios simples de la óptica: la reflexión y la refracción.
La reflexión: es el fenómeno óptico en el que se refleja un haz incidente sobre una superficie y el ángulo de reflexión es igual al de incidencia, si la superficie es perfectamente especular.
La forma en que la luz se refleja desde una superficie depende del mismo acabado de la superficie, en la siguiente imagen se sintetizan un comportamiento intermedio sobre las teóricas (reflexión lambertiana y especular)
la reflexión de la luz en superficies especulares (a), difusiòn perfecta (b), pero por lo general es más fácil encontrar superficies semispeculares(c) o semidifusoras (d)
La refracción: es el fenómeno óptico en el que un haz de luz incidente sobre una superficie de un material transparente, pasa a través del medio y se desvía de su trayectoria. La ley que rige la refracción a través de un medio transparente (vidrio, agua, etc.) es la ley de Snell.
Cuando un rayo de luz pasa de la lente hacia el aire, mientras el haz sea perpendicular a la superficie de salida de la lente, tenemos una transmisión total: el rayo se mantiene invariable.
Un caso particular se registra al aumentar el ángulo de incidencia (§ I), el ángulo de refracción aumenta en consecuencia (§cr), hasta el llamado ángulo crítico, condición por la que el haz se refleja en el interior del medio (en nuestro caso una lente) (§tr). El ángulo de refracción está estrechamente relacionado con el índice de refracción (n) típica del material (ver tabla con la comparación entre los diferentes materiales, que se adjunta a continuación).
Un ejemplo de aplicación de esta propiedad tienen, por ejemplo, las fibras ópticas, capaces de conducir luz aprovechando el ángulo crítico del material (es decir, la reflexión total interna de la luz en el material), que se utiliza para realizar los conductos.
Esta es también la base sobre la cual se funda el funcionamiento de las lentes LED comunes para el comercio denominadas TIR (reflexión interna total).
Lentes para LED comerciales
LAS LENTES
Las lentes, como ya formulado, utilizan los principios de la refracción y reflexión interna total TIR - reflexión interna total. Uno de los beneficios del utilizo de una lente es la precisión con la que se puede controlar el haz de luz.
En el siguiente gràfico se puede comprender cómo la distribución del sólido fotométrico y la eficiencia del sistema pueden variar dependiendo de los materiales y el tratamiento superficial de la propia lente.
Las lentes de LED están hechos de diferentes materiales, los más comunes son los siguientes:
PMMA (polimetacrilato de metilo) material muy maleable, se puede llegar a la transmitancia hasta 92% y el proceso de amarillamiento con el tiempo es muy lento. Se ha dado el deterioro por altas temperaturas.
PC / APEC (policarbonato), es más resistente que el PMMA al impacto, pero se raya con más facilidad, es un material adecuado para productos con índices de resistencia (IK) altos. El PC, en general, se caracteriza por una transmisión de luz menos elevada, hasta aproximadamente el 87%, dependiendo del espesor del material. El proceso de amarillamiento con el tiempo es mucho más rápido, tanto por la radiación UV, que a partir del aumento de la temperatura. El coste del material es ligeramente más alta que la PPMA.
Lentes de policarbonato
Silicona, resistente a las altas temperaturas, tiene una casi total ausencia de color amarillento con el tiempo y no depende de otra ayuda para aplicaciones externas (la lente aumenta el grado de protección IP).
El tiempo de transformación se redujo a la mitad en comparación con el PC y PMMA, la transmitancia es superior 90%. Puede soportar temperaturas superiores a 130 ° C. El costo de la materia prima es significativamente mayor al PMMA y PC.
lente de silicona típica
En la imagen de abajo una prueba de resistencia térmica y UV de las lentes de diferentes materiales de base de Dow Corning.
thermal_aging_test
REFLECTORES
Los reflectores utilizan el principio de la reflexión, es importante tener en cuenta que con cada rebote del haz de luz en la superficie del reflector es una pérdida, debido a que el material en el que se refleja el haz en sí absorberá una parte. La distribución de luz resultante se obtiene principalmente mediante la geometría del reflector y por el tratamiento de la superficie y de las características físicas del material depositado en el interior del reflector.
partes de reflector
Los reflectores LED se construyen principalmente en materiales termoplásticos, tales como PC (policarbonato) o PCHT (policarbonato de alta temperatura), que necesitan una etapa de transformación más llamada metalización, en grado de depositar la capa reflectante en la superficie de base del aparato.
Reflector antes y después de la metalización
Las eficiencias expresadas por este tipo de óptica son menores en comparación con las ofrecidas por una lente. Uno de los "problemas" que se puede encontrar es el hecho de que todo el haz emitido por el LED que no se refleje no se puede controlar.
análisis del raytracing de un reflector
análisis del raytracing de una lente
Temperatura de ablandamiento Vicat
Una nota importante sobre los materiales termoplásticos es la temperatura de ablandamiento Vicat. Los materiales termoplásticos, incluyendo PMMA y PC, no tienen un punto de fusión específico que define exactamente la transición del estado sólido al líquido, es más bien un debilitamiento gradual a medida que aumenta la temperatura, para este diseño se introdujo en lugar de temperatura de fusión, un valor de los materiales nombrados temperatura de ablandamiento Vicat que es poner a prueba una muestra de material termoplástico instando a cargas de flexión.
Reflector dañado debido a un diseño incorrecto del cuerpo de iluminación en el comercio: el reflector tiene, en la base, una quemadura por contacto con el LED
prueba de laboratorio de resistencia a altas temperaturas y VCAT
De ello se desprende que, en la fase de ingeniería, hay que partir siempre desde la elección del led, y por lo tanto la temperatura de funcionamiento del componente: la temperatura de la unión / el trabajo del LED es un elemento muy importante, no sólo porque está estrechamente vinculado con el tema de la luz sino porque a partir de esto viene también la elección de la óptica y su construcción.
Así que ¿por qué utilizar una lente en lugar de un reflector?
No se puede decir de antemano qué tipo es mejor que el otro, porque la evaluación debe hacerse con base en la aplicación y en función de la fuente utilizada.
Las lentes y reflectores se producen, hoy en día, tanto para el POWER y el MID POWER LED, como para el LED COB, por lo tanto, la elección óptica se determina sólo en parte por el tipo de LED.
Una lente para LED COB presenta complicaciones a nivel de diseño, que en su lugar se resuelven fácilmente con un reflector, más barato y más ligero que una lente.
Este problema se resuelve fácilmente mediante el uso de materiales que no sean PC común y PMMA, incluyendo silicona, siendo el material innovativo en este tipo de aplicación, pero de éxito gracias a la simplicidad de la transformación con altos espesores y diámetros.
La parte de emisión de salida de un reflector, como ya se ha mencionado anteriormente, se compone de dos corrientes, el llamado flujo directo emitido directamente por el LED y que no está controlado por las paredes de reflector, generando un halo y una parte limitada del flujo luminoso que incide en las paredes de reflector que asume la forma deseada.
En la imagen se puede ver cómo el componenente del flujo emitido por una fuente no controlada del reflector se traduce en una corona de luz externa conocida como spill light
Con una dimensiòn constante una lente es capaz de controlar casi todo el flujo y, en general, los sistemas con con óptica de lente TIR son más precisos que con anàlogo reflector, especialmente en la presencia de emisión fotométrica con ángulos muy estrechos (narrow beam).
En conclusión, entonces, cuando se elige una òptica se debe entender siempre las necesidades del proyecto, de modo que se pueda tomar la decisión más razonable para mediar todos los problemas que se presentan durante la totalidad de la planificaciòn.
Articulo cortesía de:
http://www.luxemozione.com/2016/05/sistemi-ottici-led-lenti-vs-riflettori-quale-migliore.html
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