El principal punto de partida para considerar la iluminación exterior es establecer los principales objetivos de diseño. Tradicionalmente, el alumbrado público ha sido una parte fundamental de la iluminación exterior. Sin embargo, en los entornos urbanos modernos, es principalmente poste de luces de poste superior que define el entorno visual, proporciona una iluminación humana, crea el ambiente ideal, brinda una sensación de seguridad y puede realizar una variedad de tareas al aire libre por la noche. El alumbrado público está diseñado para proporcionar un entorno visual mejorado para que las personas usen el sistema vial de manera segura, mientras que la iluminación de áreas enfatiza la creación de visibilidad de áreas dentro de límites específicos, como estacionamientos, calles peatonales, plazas céntricas, edificios de oficinas, áreas de exhibición, áreas residenciales. , campos deportivos, terrenos de empresas, campus, parques, aeropuertos, plazas de peaje, patios ferroviarios, muelles de carga y edificios circundantes.

En muchos casos, las luces de la calle se pueden usar como luces de área siempre que sus patrones de distribución de luz cumplan con los requisitos de iluminación de área. Las luces de área son más versátiles en términos de salida de luz, patrón óptico, altura de montaje, estilo de luminaria, características estéticas, cantidad y calidad de iluminación. Los sistemas de iluminación de área están diseñados con practicidad para la iluminación de instalaciones al aire libre en áreas industriales, de transporte, deportivas, de estacionamiento y grandes áreas abiertas. Estos sistemas de iluminación deben acomodar el tráfico de vehículos y peatones de la manera más económica, producir una salida de luz suficiente y soportar entornos operativos hostiles. Las luces de área para áreas peatonales a menudo brindan funcionalidad al mismo tiempo que combinan estéticamente con el tema arquitectónico del espacio. Su apariencia diurna infunde una sensación orgánica al entorno urbano. Las alturas de los postes y las dimensiones de las luminarias deben estar en perfectas proporciones para lograr una estética y una iluminación peatonal eficaces. Además de proporcionar iluminación funcional y mejorar el entorno construido de parques, plazas y otras áreas peatonales abiertas, este tipo de luminaria también asume el papel de alumbrado público para vías peatonales, ciclovías y calles estrechas en espacios privados.

 

Poste de luces superiores

La lámpara post top es una lámpara solo para peatones, y la altura de instalación de la lámpara varía de 3 metros a 9 metros. Además del rendimiento de la iluminación y el control óptico, la estética, la escala y el estilo son otras de las principales prioridades en cada diseño de luminaria posterior. Estas luces de la calle vienen en una variedad de formas tradicionales y modernas y se combinan bien en muchos escenarios, incluidos los paisajes urbanos del centro, los parques de la ciudad, las áreas residenciales, las aceras y los senderos para bicicletas. La estética tradicional se expresa en lámparas tipo bellota y farol, que se montan sobre varillas empotradas y/o cónicas con bases decorativas. El diseño contemporáneo utiliza líneas suaves y formas geométricas limpias para garantizar una apariencia arquitectónicamente armoniosa con las estructuras circundantes. Se debe colocar un equilibrio adecuado entre el poste y el artefacto de iluminación para garantizar que todo el artefacto de iluminación no se vea desproporcionado o desequilibrado.

 

Construcción de luminarias

Teniendo en cuenta la eficiencia energética, el control óptico, la gestión del espectro y las ventajas del ciclo de vida de los LED, las luminarias LED son más difíciles de diseñar y diseñar que los sistemas de iluminación tradicionales. Un sistema de iluminación LED robusto requiere la integración relevante de ingeniería térmica, óptica, eléctrica y mecánica para garantizar que todos los componentes funcionen dentro de los parámetros dados. Un LED es un dispositivo semiconductor en el que la luz se genera por la recombinación radiativa de electrones en la banda de conducción del electrodo con carga negativa y huecos en la banda de valencia del electrodo con carga positiva en una unión pn (unión positiva y negativa). Estas fuentes de luz de estado sólido son muy sensibles a la temperatura de funcionamiento y la corriente de accionamiento. Además, los LED son fuentes de luz puntuales y su flujo se concentra en una pequeña superficie emisora de luz (LES), que se ve dura y se suma al perfil de deslumbramiento de la luminaria.

 

Por lo tanto, la ingeniería de sistemas de las luminarias LED proporciona un entorno estrictamente controlado para el funcionamiento óptimo de los LED, al tiempo que modifica estéticamente la apariencia de la fuente de luz y controla la distribución de la luz emitida con una pérdida óptica mínima. Como mínimo, una luminaria de área LED consta de un módulo LED, un controlador LED, un sistema de gestión térmica y una óptica secundaria. Los módulos LED normalmente integran una lente óptica en el conjunto LED, pero también se pueden usar reflectores, refractores, difusores u otros componentes ópticos para controlar la distribución de la luz. Dado que los sistemas de iluminación LED requieren disipación de calor por convección con el aire circundante, las luminarias a menudo se integran arquitectónicamente con el disipador de calor del sistema de gestión térmica. El controlador de LED regula la potencia del LED y puede configurarse para responder a una señal de control proporcionada por un sensor o controlador de luz.

Fuente de luz

Los LED producen luz blanca a través de la conversión de fósforo, lo que implica el uso de recubrimientos de fósforo. El fósforo convierte parte de la radiación electromagnética del diodo semiconductor en luz de longitud de onda más corta, que se mezcla con la luz azul no convertida para producir luz blanca que el ojo humano puede percibir. Este proceso se realiza en la arquitectura del paquete. El paquete LED también proporciona una interfaz para que el chip LED haga contacto térmico, eléctrico y mecánico con el entorno operativo. Un tercer propósito del empaque de LED es proteger la matriz expuesta del daño físico y la contaminación ambiental. El rendimiento, la eficiencia y la confiabilidad de los LED dependen de la estructura epitaxial y el material de la oblea del chip LED (chip semiconductor), así como del diseño del paquete y los materiales de empaque.

 

En términos generales, la gran mayoría de los fabricantes de LED utilizan moldes de semiconductores de la misma estructura epitaxial y material de oblea para producir sus productos. Solo unos pocos fabricantes de LED han tomado una ruta diferente. Los LED Cree, por ejemplo, están empaquetados con los chips semiconductores GaN-on-SiC patentados de la compañía, en lugar de los dispositivos GaN-on-Sapphire más comunes, pero menos eficientes y menos confiables. Por lo tanto, la calidad y el rendimiento de los LED en el mercado dependen en gran medida del diseño del empaque y los materiales de empaque del producto.

 

Los LED de alta potencia ofrecen una confiabilidad que los LED PLCC de potencia media no pueden ofrecer. Los sustratos cerámicos metalizados brindan una ruta térmica eficiente y altamente confiable para operaciones de alta densidad de flujo. El diseño del paquete elimina el uso de materiales plásticos y marcos de plomo, lo que reduce en gran medida el factor de falla de los LED. En comparación con los LED de potencia media, los LED de alta potencia tienen una eficiencia luminosa relativamente baja, pero tienen una vida más larga y una salida más estable. Sin embargo, los LED de alta potencia tienen dificultades para competir con los LED de potencia media porque no todos los usuarios anteponen los intereses a largo plazo a los intereses inmediatos.

Los LED Chip-on-Board (COB) tienen LES más grandes y son proporcionados por una matriz de chips semiconductores para proporcionar una iluminación uniforme para aplicaciones de alto lumen. La matriz LED se monta directamente sobre un sustrato de cerámica o una placa de circuito impreso con núcleo de metal (MCPCB) para que el calor extraído de la unión LED se pueda disipar de manera efectiva. Los LED COB generalmente se usan en dispositivos de iluminación que requieren una fuente de luz amplia con alta uniformidad en un área de fuente de luz pequeña. Sin embargo, los LED COB no se usan comúnmente en aplicaciones de iluminación de áreas porque requieren un componente óptico muy grande y costoso para controlar el ángulo del haz.

 

Gestión Térmica

La longevidad es un punto de venta clave para las lámparas LED. Pero sin la gestión térmica, los LED pueden tener una vida útil tan corta como las bombillas incandescentes. Los diodos emisores de luz son un dispositivo de calentamiento automático y más de la mitad de la energía eléctrica que consumen se desecha como calor residual. Sólo una pequeña fracción de la energía eléctrica se convierte en energía luminosa. El calor residual debe extraerse de la unión del LED o se iniciarán mecanismos de falla relacionados con la matriz, el paquete y la interconexión. Los problemas típicos causados por el sobrecalentamiento de las uniones de semiconductores y las estructuras circundantes incluyen la degradación del fósforo térmico, el agrietamiento del molde, la fractura del cable de unión, la fatiga de la unión de soldadura, la carbonización del encapsulante, la decoloración de las resinas plásticas, la electromigración de átomos metálicos en las capas de metalización y más.

 

La gestión térmica de los sistemas de iluminación LED está diseñada para minimizar la resistencia térmica y mejorar la eficiencia de disipación de calor de los componentes a lo largo de la ruta térmica desde la unión del semiconductor hasta el entorno circundante. Para los sistemas de iluminación de áreas, la confiabilidad de la ruta térmica es tan importante como la capacidad de transferencia de calor. Estos sistemas están sujetos a golpes y vibraciones, lo que puede forzar mecánicamente el espacio térmico conectado entre el paquete de LED y los componentes térmicos del sistema. Los productos para exteriores requieren consideraciones ambientales adicionales, y los ciclos de temperatura son una de las principales causas de fallas de interconexión en los sistemas de iluminación para exteriores. Por lo tanto, la coincidencia de un alto coeficiente de expansión térmica entre elementos térmicamente conductores es fundamental en la ingeniería térmica. La integridad de la ruta térmica en los sistemas de iluminación que utilizan LED de potencia media es una preocupación importante, ya que las juntas de soldadura entre el paquete de LED y el MCPCB son particularmente susceptibles a la fatiga mecánica y térmica.

 

Si bien las luminarias LED rara vez fallan de manera catastrófica, una gran cantidad de productos económicos son propensos a la degradación acelerada del lumen. Esto se debe a que la optimización de costos para estos productos probablemente se logre recortando gastos en el disipador de calor. El disipador de calor proporciona conducción térmica, transfiriendo el calor de la unión LED al límite y luego al aire circundante por convección. Por lo tanto, el diseño de un disipador de calor típico considera maximizar la conductividad térmica del material y el área efectiva de la ruta térmica para una conducción de calor eficiente y optimizar las condiciones de contorno para una convección térmica efectiva aumentando el flujo de aire y maximizando el área total. de contacto con el medio ambiente. La mayoría de los disipadores de calor de las luminarias están hechos de aluminio fundido a presión, lo que proporciona una buena conductividad térmica y brinda flexibilidad de diseño para fines estéticos y de convección térmica. Tenga cuidado con los productos con disipadores térmicos livianos o de plástico.

Controlador LED

El controlador es un dispositivo electrónico que convierte la alimentación de CA en alimentación de CC para activar los LED alimentados por corriente. Además de regular la salida de CC bajo el voltaje de suministro o los cambios de carga, el controlador LED debe configurarse para compensar los cambios en el voltaje directo del LED. El voltaje directo del LED se ve fácilmente afectado por la temperatura de unión del propio LED, lo que da como resultado un gran cambio en la corriente directa y fluctuaciones en la salida de luz. Las luces de área LED están equipadas con controladores LED de corriente constante. En lugar de regular el voltaje, el controlador de LED controla la corriente continua en el LED y asegura que el LED no reciba más corriente que su corriente nominal. Sobrecargar el rendimiento nominal de los LED puede provocar un amontonamiento de corriente y generar una alta probabilidad de sobrecalentamiento localizado de la epicapa y fuga térmica.

 

Al igual que la eficiencia de la fuente de luz, la eficiencia del controlador LED puede afectar significativamente el consumo total de energía del sistema. Los controladores LED modernos se basan esencialmente en fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), que regulan la salida de los LED a través de operaciones de conmutación de alta velocidad. Los controladores LED basados en smps son muy eficientes en la conversión de energía. Pueden diseñarse para proporcionar potencia de salida de CC aislada y regulada con buena corrección del factor de potencia (PF) y baja distorsión armónica total (THD). Sin embargo, la interferencia electromagnética (EMI) generada por los reguladores de conmutación debe suprimirse mediante un cuidadoso diseño, blindaje y filtrado de la placa de circuito para cumplir con los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC). Los circuitos adicionales de supresión de EMI pueden aumentar en gran medida el costo general y agregar volumen a un controlador de LED que ya es voluminoso y costoso.

 

Los controladores de LED utilizados en los sistemas de iluminación de calles y áreas deben ser capaces de manejar los entornos transitorios severos a los que están expuestos. Algunos controladores LED tienen protección contra rayos inherente, lo que proporciona inmunidad de modo diferencial y de modo común a los módulos LED conectados. Dependiendo de las condiciones locales, la entrada de CA de la luminaria o del controlador de LED debe brindar protección adicional contra sobretensiones transitorias excesivas para absorber la energía de picos elevados. Los pararrayos pueden ser varistores de óxido de metal (MOV), tubos de descarga de gas (GDT) o diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS).

Control de iluminación

Los controladores de LED juegan un papel vital no solo en el funcionamiento de los LED, sino también en el control de la salida de luz de los LED. Con controladores LED con modulación de ancho de pulso (PWM) o capacidad de atenuación de reducción de corriente constante (CCR), se puede implementar una variedad de estrategias de control de iluminación en luminarias para exteriores. Las luces de área LED pueden ser automáticamente basadas en el tiempo, la luz ambiental y/o la atenuación basada en la ocupación y el control de encendido y apagado, utilizando relojes de tiempo, fotocélulas y/o sensores de movimiento. El control de iluminación en red a través de un Sistema de Gestión Centralizado (CMS) permite que las luminarias se posicionen y controlen individualmente o en grupos. Agregar capacidades de Internet de las cosas (IoT) a los accesorios de iluminación del área abre numerosas oportunidades para la gestión avanzada de la iluminación y los servicios de ciudades inteligentes.

 

Distribucion de luz

Las luces de área tienen una variedad de usos y tienen diferentes requisitos para la distribución de la luz. Estos sistemas deben diseñarse para distribuir la luz sobre un área generalmente distribuida por sus direcciones lateral (a lo largo de la carretera) y lateral (cruce de la carretera).

La distribución lateral de la luz con la máxima emisión de candelas se produce en ángulos verticales más altos, lo que permite una mayor distancia entre luminarias. Las luminarias que producen distribución lateral, cuya distancia es de 3,75 veces a menos de 6,0 veces la altura de instalación, pertenecen a las luminarias de distribución larga. La distribución de luz lateral de máxima emisión de candelas con un ángulo vertical más bajo tiene una distancia entre luminarias más corta pero reduce significativamente el deslumbramiento del sistema. Cuando la longitud de distribución horizontal de la luz de la lámpara es de 1,0 a 2,25 veces la altura de instalación, se trata de una configuración corta. Cuando la longitud lateral de la distribución luminosa de la luminaria es de 2,25 veces a menos de 3,75 veces la altura de instalación, pertenece a la luminaria de distribución media.