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Universidad Nacional de Ingeniería - Facultad de Ciencias
Maestría de Energías Renovables y Eficiencia Energética
XXI Simposio Peruano de Energía Solar. Piura 10 – 14.11.2014.
Caracterización Fotométrica de Lámparas LED en función de la temperatura
Julio C. Salazar R.
RESUMENSe presenta el estudio de la respuesta fotométrica y radiométrica enfunción de la temperatura de un Led blanco, marca LUXEON XC-3Wdisponible a granel en el mercado, este tipo de Led no dispone deinformación o características técnicas de fabricación.Se ha cuantificado el corrimiento espectral de los picos del Led enfunción de la corriente e indirectamente de la temperatura.
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
La caracterización se lleva a cabo con la instrumentación respectivadel Laboratorio de Fotometría de la Facultad de Ciencias consistenteen luxómetros / fotómetros calibrados, lámparas patrón de trabajode intensidad luminosa direccional de tipo incandescente;lámparas patrón de trabajo de flujo luminoso de tipo incandescentey vapor de mercurio, esferas integrantes, goniómetro, etc. concertificado de trazabilidad internacional según sea el caso.
INTRODUCCIÓN
Los consumidores de productos de iluminación tácitamenteesperan que los productos de iluminación adquiridosconsuman poca energía, tengan una duración aceptable, unrendimiento de acuerdo con las normas técnicas ycaracterísticas proporcionadas por el producto.
Los estudios que se realiza en los equipos y sistemas deiluminación nos permiten racionalizar el uso de electricidad yaumentar la eficiencia energética del producto.
En los Leds, la colorimetría, la distribución espectral de la luz,la intensidad de la irradiancia, vida útil, etc. dependenfuertemente de la temperatura de la unión.
METODOLOGÍA
http://articulo.mercadolib
re.com.ar/MLA-
146776180-placa-peltier-
tec-12706-enfriamiento-
heladeras-_JM
Curva característica I-V de un diodo, correspondiente al Led Luxeon XC-3W
En las uniones p-n, al aplicárseles una polarización directa, ocurre una recombinaciónde huecos y electrones lo que dará a lugar que parte de esa energía transferida seconvierta en luz y otra parte en calor. Para los LEDs del tipo que usamos ocurre que laenergía luminosa emitida nos proporciona una fuente de luz intensa en el rango visible.El Led, al ser un dispositivo de unión p-n, tendrá las características de polarizacióndirecta similar a las de un diodo.
Observaciones:- En 2,4 Vdc se inicia débilmente la
emisión de luz.- En 3 Vdc la temperatura del
disipador adherido al pack del ledalcanza aproximadamente (altacto), una temperatura de 40 ºC.
- A 3,5 Vdc apenas se puede tocar eldisipador. T 80 ºC.
- Con 4,3 Vdc el empaque empieza aemanar gases y humear.
- Cuando el voltaje es apenas mayorque 4,6 Vdc la intensidad de luzradiada empieza a decaerrápidamente y el led colapsa.
Determinación de la tensión umbral del led Luxeon XC-3W
Consideramos 12 puntos experimentales que se encuentran muy bienalineados.La ecuación de ajuste lineal nos proporciona la tensión umbral VT 2,82 V.Recordemos que VT = 0,7 V para el Si y VT = 0,3 V para el Ge
Iluminancia en función
de la corriente y a dife-rentes temperaturas
Se puede cuantificar el máximo de iluminancia para cada una de estas curvas a
temperatura constante excepto para la curva del intervalo 1 ºC 7 ºC. Por otra parte
podemos especular acerca de la tendencia (por ejemplo, con una aproximación lineal)
de la disminución de la iluminancia respecto del incremento a temperaturas mayores
que 100 ºC, a partir de la tendencia de los máximos de iluminancia de los intervalos de
25 ºC a 100 ºC.
Iluminancia en función
de la temperatura a
corrientes constantes
Iluminancia en función de la temperatura a corrientes constantes
Gradiente de la Luminancia/Temperatura en función de la corriente
La primera zona: si tomamos los 5 primeros puntos experimentales; los ajustamos
linealmente y obtenemos una pendiente de 2,5 (u.a./ºC / A). (Con R2 = 0,9977)
La segunda zona, los siguientes 4 puntos experimentales, los que ajustamos
linealmente y obtenemos una pendiente de 3,2 (u.a./ºC / A). (Con R2 = 0,9948)
La tercera zona, los últimos 4 puntos consecutivos, los ajustamos linealmente y
obtenemos una pendiente de 5,8 (u.a./ºC / A). (Con R2 = 0,9975)
Este tipo de comparaciones nos permiten cuantificar de manera
aproximada la tasa de cambio de la luminancia por grado de
temperatura y debido a la corriente.
Así podemos cuantificar que la mencionada tasa de cambio entre la
tercera zona, (corrientes altas a partir de 1,2 A) respecto de la primera
zona (de 0,05 A hasta 0,6 A) es de aproximadamente 2,3.
La tasa de cambio entre la tercera zona y la segunda (de 0,8 A a 1,1 A)
es de aproximadamente 1,8.
La tasa de cambio entre la segunda zona y la primera es de
aproximadamente 1,3.
En conclusión, en este caso, obviamente que el cambio del gradiente es
menor entre la segunda y la primera zona y en la frontera se encuentra
el funcionamiento apropiado del led que nos ocupa y esto es en 0,7 A.
Observamos cómo se incrementa la corriente a partir de la tensión aplicada al led para
cada temperatura constante. Por otro lado, la corriente permanece constante en un
intervalo de VF para diferentes temperaturas hasta llegar a un voltaje común donde la
resistencia total del led llega a 3 , para VF = 3,9 Vdc e IF = 1,3 A para todos los casos.
Antes de esos valores la resistencia aumenta y después la resistencia total del led,
disminuye
Corriente vs Voltaje a diferentes tempe-raturas
Eficacia en función de la corriente a diferentes temperaturas
Observamos que la eficacia siempre es menor mientras mayor sea la temperatura de
funcionamiento del led. El comportamiento fenomenológico en este caso es similar,
pero no igual para todas las temperaturas, es decir, la eficacia disminuye más
rápidamente respecto de la corriente para una temperatura de 100 º C que para una de
menor magnitud debido al incremento de los procesos no radiativos que aumentan con
la temperatura en desmedro de los procesos de recombinación radiantes.
Iluminancia en función de la potencia eléctrica
La iluminancia decrece al incrementarse la temperatura. Por otra parte, los mismos criterios utilizados en el gráfico de la iluminancia en función de la corriente, pueden usarse en este caso para realizar extrapolaciones de iluminancia respecto de la potencia eléctrica
Eficacia en función de la potencia a diferentes tempe-raturas.
La eficacia respecto de la potencia eléctrica consumida disminuye más rápidamente a
temperaturas mayores. Esto se ve claramente si se compara la disminución de la
eficacia a 100 ºC respecto de la eficacia a 1 7 ºC o respecto de 25 ºC en todo el rango
de potencia eléctrica.
Obviamente que a mayor potencia consumida o suministrada al led, parte de ésta se
estará convirtiendo en fotones y otra en calor.
Al incrementarse levemente (para nuestro led de potencia) la corriente, la resistencia
cambia rápidamente hasta tomar un valor asintótico casi constante. Si se prolonga la
asíntota podemos encontrar que la resistencia es 3,9 ; valor próximo a 3 calculado
a partir del gráfico corriente vs voltaje.
Lo más significativo de este gráfico es que nos muestra que la Resistencia no depende
de la temperatura, sobre todo en el rango de corrientes mayores que 0,2 A.
Variación de la resis-tencia en función de la corriente a dife-rentes temperaturas
Espectro del led Luxeon XC-3W sin el background, medido con el Espectrómetro Red Tide USB650 de Ocean Optics
Al espectro se le ha quitado nm x nm el background respectivo. Temperatura
del led = 25 ºC, IF = 1,30 A y es el producto de la sensibilidad de los detectores.
El pico de 550 nm es mayor intensidad que el de 451 nm.
Espectro real
del Led Luxeon
XC-3W
- Para obtener un espectro real, en cierta medida, absoluto, es necesario calibrar lasensibilidad el espectrómetro Red Tide USB650, nanómetro por nanómetro.
- Tal proceso se realiza mediante una regresión lineal nanómetro por nanómetro(desde 400 nm hasta 700 nm), bajo las mismas condiciones de corriente defuncionamiento IF del patrón de prueba incandescente IL2, tanto en la esferaintegradora Labsphere como en la caja negra de mediciones.
- La regresión se realizó con IF = 800 mA, 900 mA y 1000 mA.- Bajo esas condiciones, una vez hallado el factor de corrección nm x nm, se aplica nm
x nm dicho factor de regresión en todo el rango espectral anteriormente señalado. Deesa forma se obtiene la siguiente distribución espectral.
Sin embargo, la regresión espectral ha introducido 2 picos representativos ajenos al
espectro real y ello debido a la alta sensibilidad del detector en ese intervalo
espectral. Estos picos espurios se encuentran bien definidos en 435 nm y 446 nm y
permanecen invariantes con la temperatura. También los picos de las intensidades en
447 nm y 448 nm son anómalas y no deben tomarse en cuenta por los motivos
anteriormente señalados.
Por otro lado, son necesarios mayores datos para obtener un buen y confiable factor
de regresión. En nuestro caso solamente se tomaron 3 corrientes diferentes a
intervalos iguales, donde el máximo de corriente permisible para el patrón IL2 era de
1050 mA.
Corrientes menores que 800 mA toman más de un día de medición debido a la
bajísima intensidad de luz emitida por el patrón
DETERMINACIÓN DEL FLUJO Y CORRIMIENTO ESPECTRAL
EQUIPO EXPERIMENTAL
Espectrofotómetro, fuentes de poder (AC y DC), multímetros de precisión, lámparas
patrones con certificación, software requerido para determinar todos los parámetros
radiométricos, fotométricos y colorimétricos de lámparas.
Fuente: http://fc.uni.edu.pe/mhorn/Rabanal,%20Horn%20XV%20SPES%20Cajamarca.pdf
Diagrama del montaje experimental de la Esfera Integradora de Ulbricht
del laboratorio de fotometríaFuente: http://perusolar.org/17-spes-ponencias/04-%20Instrumentacion/RabanalReinaJulioArturo/ adaptacion_de_un_espectrofotometro_de_esfera_integradora_a_f.pdf
Fuentes:
http://fc.uni.edu.pe/portal/index.php/laboratorios/de-investigacion/fotometria.html
http://www.sciencetech-inc.com/taxonomy/term/80
Con la Esfera Integradora Labsphere se realizan mediciones espectrales de flujo con
corrientes IF de 400 mA, 600 mA, 800 mA, 1000 mA y 1200 mA sin ningún tipo de
refrigeración ni control de temperatura adicional que la proporcionada por la
temperatura de la masa de la Esfera Integradora y el calor generado por el
semiconductor del Led Luxeon XC-3W.
El empaque del led está soldado a un disipador pequeño, básico y contenedor de los
contactos de alimentación y medición.
A corrientes cercanas a 1200 mA en la zona de recombinación, se alcanza
fácilmente los 188 ºC la cual es la temperatura de fusión de la soldadura 60/40
(Sn/Pb).
Tiempo de integración = 500 ms con una repetición de 3 escaneos espectrales para
el promedio de obtención de señal.
Los picos en el rango azul están claramente definidos (pico y centro del pico) más no
en el caso del pico con centro aproximado en 550 nm, el cual no es simétrico. Sin
embargo el software me indica el centroide del pico y el pico dominante.
-Se examina lo que ocurre al aumentar la temperatura de manera indirecta
puesto que no la estamos midiendo, pero sabemos que se incrementa al
aumentar la corriente, hasta el punto de fusión de la soldadura de los
contactos eléctricos.
-En los gráficos siguientes se observa con facilidad el corrimiento del pico azul
hacia longitudes de onda más largas.
-El pico alrededor de 550 no muestra un comportamiento evidente de
corrimiento pero si una resaltante reducción del ancho de banda en su base.
Por ejemplo a 400 mA se tiene un ancho de base de (175 ± 2) nm y con 1200
mA se tiene (107 ± 3) nm. La base del ancho de banda se ha reducido en 68
nm debido al incremento de los procesos no radiativos que han reducido la
emisión de fotones e incrementado la temperatura.
-Este fenómeno se puede cuantificar en relación al flujo emitido más no
respecto de la temperatura. Sólo se puede decir que con el aumento de la
corriente se incrementa la temperatura
Resultados espectrales del led Luxeon XC-3W con IF = 400 mA, calibrado con el patrón incandescen-te IL2
Flujo espectral del led con IF = 400 mA, calibrado con el patrón incandescente IL2
Flujo espectral del led con IF = 1200 mA,
calibrado con el patrón incandescente IL2
Resultados espectrales del led Luxeon XC-3W con IF = 1200 mA, calibrado con el patrón incandescente IL2
DESPLAZAMIENTO ESPECTRAL
Para corrientes IF de 400 mA, 600 mA, 800 mA, 1000 mA y 1200 mA. A partir de estas
corrientes se obtuvieron distribuciones de flujo. De los resultados espectrales podemos
graficar la evolución del pico azul (alrededor de 450 nm) y del amarillo verdoso
(alrededor de 550 nm).
Corrimiento espe-
ctral del pico azul
en función de la
corriente del led
Luxeon XC-3W
Con el aumento de 800 mA (desde 400 mA a 1200 mA) se ha producido undesplazamiento del pico del orden de (11 ± 2) nm. Para el centro del pico azul eldesplazamiento ha sido de aproximadamente (12 ± 2) nm
Corrimiento espectral
del pico amarillo
verdoso en función de
la corriente del led
Luxeon XC-3W
Los picos centroide y dominante se desplazan hacia longitudes de onda más cortas alincrementarse la corriente en 800 mA (desde 400 mA a 1200 mA).Este corrimiento es de menor magnitud que para el pico azul, de modo que para el picodominante el desplazamiento es de (50 ± 2) nm y para el centroide del pico elcorrimiento es de (14 ± 2) nm.
Tanto los corrimientos del pico azul como del amarillo verdoso son debidos alincremento de temperatura y la consecuente adición continua de los procesos noradiativos de recombinación electrón hueco en la zona de agotamiento delsemiconductor.
Factor FWHM en función de la corriente para el pico azul
A medida que aumenta la corriente el FWHM se incrementa, esto es, el
ancho de banda crece siguiendo un comportamiento cuadrático
El ancho a media altura, FWHM es una medida de la extensión de una
función, que viene dada por la diferencia entre los dos valores extremos
de la variable independiente en los que la variable dependiente es igual
a la mitad de su valor máximo.
CONCLUSIONES:
- Se ha mostrado que el Led utilizado es un diodo con características defuncionamiento similares y cuyos rangos de funcionamiento yfinalidad son diferentes. Para el Led blanco Luxeon XC-3W, VT = 2,8 Vdc.
- Se ha determinado el gradiente de la luminancia/temperatura enfunción de la corriente para el Led XC-3W.
- Los gráficos elaborados describen el comportamiento de lailuminancia respecto de la potencia eléctrica, la eficacia respecto de lacorriente y la eficacia respecto de la potencia eléctrica entre otros.
- Utilizando el espectrómetro y esfera integradora Labsphere, se harealizado el estudio del flujo espectral, la posición e intensidad de lospicos y el FWHM respecto de la corriente e indirectamente de latemperatura máxima permitida por las soldaduras de las conexionesdel Led
- La iluminancia decae con el incremento de la corriente y latemperatura debido al aumento de los procesos noradiativos de recombinación que reducen la eficiencia deconversión de energía en un Led.
- La recombinación no radiativa que tiene lugar en el Led esdel tipo SRH (Shockley-Read-Hall) mediada por defectos y larecombinación Auger a través de los fonones de la red delsemiconductor del Led.
- Con el espectrómetro portátil Red Tide USB650 de OceanOptics, calibrado con el espectrómetro Labsphere modeloCDS 1100, se han realizados registros confiables de ladistribución espectral de la radiación visible del Led blancoLuxeon XC-3W bajo diferentes condiciones de corriente ytemperatura, adicionalmente se obtuvo un desplazamientodel pico azul, con resultados análogos a los obtenidos con elespectrómetro Labsphere.
REFERENCIAS:
- CIE-127: 2007. Technical Report – Measurement of LEDS. 2nd. Ed.
- Clemens J. M. Lasance • András Poppe Editors. Series Editor: G. Q.
Zhang. 2014. Thermal Management for LED Applications. Solid State
Lighting Technology and Application Series. Springer Verlag. ISBN 978-
1-4614-5091-7 (eBook). Springer Science+Business Media New York
- Boylestadt Nashelsky. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos
electrónicos. Octava edición.
