LÁMPARAS LED DE BAJA TENSIÓN: ALGUNAS CONCLUSIONES DE

DISTINTOS ENSAYOS CUANDO SON EMPLEADAS EN SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS AISLADOS#

Carlos Cadena y Ricardo Echazú INENCO – Instituto UNSa. – CONICET

Universidad Nacional de Salta Av. Bolivia 5150 – A4408FVY Salta, República Argentina

FAX 54 387 4255489 – e–mail: cadenacinenco@gmail.com

Recibido 16/08/18, aceptado 24/09/18

RESUMEN: Se presentan en este trabajo algunos resultados obtenidos de diferentes ensayos y procedimientos implementados en lámparas LED de 12 voltios de corriente continua que fueron realizados como parte de las pruebas de certificación requeridas a empresas proveedoras, en pliegos de ensayos de licitaciones públicas. Fueron efectuados a dichas empresas mediante el mecanismo de STAN (servicio tecnológico de alto nivel, CONICET) y consistieron en diferentes medidas de intensidad luminosa, respuesta espectral, rango de voltaje, su variación de temperatura, consumo real de potencia y la relación con el flujo luminoso, entre otras. Los resultados obtenidos muestran, una baja dispersión de las características luminotécnicas, como así también una buena correspondencia con los valores publicados por los fabricantes. Por otra parte, se describe parcialmente un procedimiento de ensayo de seguridad eléctrica (a solicitud de una empresa se ejecutaron pruebas referidas a lo que le sucede a la lámpara cuando se la conecta a 220 VAC) del mismo tipo de lámparas. Palabras clave: lámpara LED, certificación, eficiencia, fotovoltaico, respuesta espectral INTRODUCCIÓN La iluminación es un efecto que por cotidiano, pasa casi desapercibido para la mayoría de las personas, sin embargo en pleno siglo XXI, un conjunto importante de personas no posee este servicio esencial, pese a que para muchos es difícil concebir la vida sin equipos que la provean. En la figura 1 muestra el resultado de la adición de luz de colores y este efecto puede ser empleado por la tecnología LED para “componer” el flujo luminoso emitido por una lámpara (Jian Jang Huang, 2018). La figura 2 muestra los espectros de emisión de fuentes de diferentes tecnologías, y las diferencias son notorias.

Figura 1: Colorimetría de la adición de luz Figura 2: Espectros de emisión de luz blanca y de colores (Síntesis RGB), Laprestampa, (2018) #Parcialmente financiado por el Consejo de Investigación de la Universidad Nacional de Salta

ASADES Acta de la XLI Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente

Vol. 6, pp. 06.75-06.84, 2018. Impreso en la Argentina. ISBN 978-987-29873-1-2

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Pero lo concreto es que si se pone la atención en la eficiencia (hecho que se podría inferir de las curvas), las LED serán mejores. Es por este motivo que en estos años se está profundizando la introducción de la tecnología LED, ya que genera grandes expectativas en cuanto a las prestaciones que ofrecen las lámparas basadas en diodos emisores de luz. (N. Thejo Kalyani, 2017) Se hace tan habitual, a un punto tal, que si de eficiencia se trata, hoy no se concibe instalar una tecnología de inferior calidad, a la de las lámparas LED, y con muchos más argumentos (por su eficiencia comparativa entre otros) en los sistemas eléctricos fotovoltaicos para zonas aisladas. Alexander Arias-Cuellar, (2007) La iluminación en estado sólido basada en LED (SSL), es una de las tecnologías que se ha venido desarrollando desde hace bastante tiempo, con el fin de satisfacer la necesidad de iluminación artificial. (Apian & Von der Hardt, 1998) Las principales ventajas que contempla, comparado con las lámparas incandescentes y fluorescentes son: su ahorro energético, más amigables con el medio ambiente, mayor vida útil, eficiencia y desempeño. Se encuentran en dispositivos de tamaño reducido, y gracias a esto se innovan cada vez más nuevos dispositivos de iluminación de estado sólido, es así como se encuentra una gran variedad en el mercado, que se puede agrupar por su: Temperatura de Color Correlacionada (CCT), Índice de Reproducción de Color (CRI), Flujo Luminoso, Consumo de Potencia Eléctrica, Potencia Óptica Radiante, etc. Los dispositivos de SSL pueden estar integrados por LED de potencia, montaje superficial, o de otro tipo. Entonces resulta importante plantearse las siguientes preguntas: ¿Cómo elegir una fuente de iluminación LED?, ¿Cuáles son los parámetros a considerar antes de la elección de dicha fuente? e incluso ¿Cuáles son las principales características que se deben de contemplar antes de desarrollar una fuente de iluminación LED? Para aclarar un poco este aspecto conviene tener cuenta “la producción de los colores de luz LED”, como la luz emitida por un diodo emisor de luz tiene una longitud de onda específica y por lo tanto un color específico. Este último depende del material semiconductor del LED. Los semiconductores LED se componen de combinaciones de elementos como los fosfuros o arseniuros. Existen diferentes combinaciones, cada una de las cuales desprende cantidades de energía variables, en función de la banda prohibida del material semiconductor, tal como se observa en la figura 3.

Figura 3: Combinaciones de espectros de luz LED que forman luz blanca. https://www.ledvance.es

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Cuando los portadores de carga se combinan, los fotones son emitidos según niveles discretos específicos de energía. Esto especifica el color de la luz particular. Por ejemplo, la azul se produce si se libera un elevado nivel de energía, y la luz es roja si el nivel de energía emitido es más bajo. Por consiguiente, se produce luz monocromática (de un solo color). La siguiente es la característica especial del LED: Cada color de luz se limita a una longitud de onda de alcance muy estrecho (término clave: longitud de onda dominante) que respectivamente representa solo un color de luz específico. El único espectro que no puede producirse directamente desde el chip es el espectro de luz blanca, ya que la luz blanca representa una mezcla de todos los colores de luz. Existen dos métodos: Fotoluminiscencia: los LED azules se vuelven blancos, el procedimiento más común es el principio de fotoluminiscencia. Durante el mismo, una fina capa de fósforo se aplica sobre un LED azul. La luz azul LED rica en energía de onda corta estimula la capa de fósforo hasta que se enciende, y emite luz amarilla de menor energía. Parte de la luz azul se transforma así en luz blanca. El tono de color de la luz blanca puede variar en función de la medición del colorante de fósforo. De este modo, se producen diferentes tonos blancos, como blanco cálido, blanco neutro o blanco frío. Luz blanca de mezcla aditiva de colores, este segundo método para producir luz LED blanca se basa en el principio de la mezcla aditiva de colores. En este caso, la luz blanca se produce mezclando la luz roja, verde y azul (RGB) a diferentes longitudes de onda. La ventaja de este método es la siguiente: El color de la luz puede cambiarse mediante un control específico. Por ello, puede producirse tanto luz blanca como luz coloreada si se desea. Este procedimiento se utiliza, por ejemplo, en televisores, en los que los LED se usan para producir una iluminación base y de imagen. Una ventaja comparativa importante es que su potencia eléctrica y por ende su flujo luminoso se puede obtener en un amplio rango de valores, a lo que se le puede agregar que el mismo puede ser orientado con un ángulo de apertura bastante estrecho. En otro orden de cosas, y como para tener una idea de cuáles niveles de potencia son los necesarios y o mínimos, se planea aquí el siguiente ejemplo sencillo de cálculo: Es decir, si se requiere iluminar un espacio de 4 m2 (por unos 2,3 m de alto) con alrededor de 200 luxes, y esto se logra aproximadamente con una lámpara omnidireccional LED de 9 W (800 lm) o con una incandescente de 60W (800 lm), existen muchas posibilidades para conformar el sistema, una lámpara LED de 800 lm o de 9 W de potencia: podrá ser más conveniente tener un arreglo de 2 led de 5W?, un arreglo de un led de 5 W más uno de 3 W y uno de 1W, un arreglo de 9 LED de 1 W cada uno, se puede encontrar flujo luminoso a partir de 120 lúmenes (como la Phocos ISL120-1.1; lámpara de LED Pico Light, de muy bajo costo). Será mejor una lámpara con 18 LED de medio vatio, cuál configuración de lámpara LED es la más conveniente para lograr este flujo luminoso o esta potencia? la necesidad de proveer de fuentes luminosas en zonas rurales, escapa largamente de este análisis, y en consecuencia, se pondrá atención en lo que se puede obtener de una lámpara de 7 u 8 vatios. Debido a que con cierta frecuencia se solicitan al INENCO ensayos de evaluación de calidad de lámparas para uso fotovoltaico, es que se han diseñado procedimientos o adaptado equipos que permitan caracterizarlas según diferentes aspectos. En las secciones siguientes se describen los métodos empleados y un resumen de resultados obtenidos durante un estudio realizado en el 2017 para una de las empresas dedicadas a la instalación de sistemas fotovoltaicos en el Noroeste Argentino. ENSAYO DE SEGURIDAD ELÉCTRICA Las lámparas habitualmente ofrecidas por los proveedores (12VDC) tienen el casquillo E27 (o sea la rosca estándar E27, habitualmente empleada en equipos de 220 VAC). Esta situación fue detectada y observada por la Secretaría de Lealtad Comercial que a su vez solicitó un informe especial referido a la seguridad de utilización de dichas lámparas. Normativa consultada: pese a que no son de aplicación directa, se consultó la UNE-EN 62838, basada en la EN62838 2016 basada a su vez en la norma internacional IEC 62838 2015 Del procedimiento de ensayos: Se procedió a realizar este ensayo de seguridad en lámparas LED de 7 vatios de potencia y 12 V de alimentación, en condiciones de laboratorio, es decir 20 °C y 70 % de humedad relativa. El laboratorio estuvo cerrado, aislado y en condiciones de iluminación natural,

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participando del mismo cuatro personas. Los materiales empleados fueron: un circuito alimentado por 220 VAC; con conductores de 2,5 mm2 de sección, y un metro de longitud, portalámparas plástico con rosca E27, un interruptor a tecla normalizado, un protector electromagnético, y la lámpara de 7 vatios en estudio. Para las mediciones se empleó un voltímetro AC-DC, y un miliamperímetro de CC. Se ensayaron sucesivamente cuatro lámparas del lote. Se verificó su funcionamiento en condiciones normales, esto es a tensión nominal de 12 VDC y conectadas a un acumulador plenamente cargado, de plomo ácido de 12 V y 120 Ah, y a condiciones de laboratorio. Se midió el consumo, resultando el mismo dentro de los valores normales (520 mA). Se procedió luego a realizar la conexión al circuito de 220 VAC, accionado el interruptor: instantáneamente la lámpara destelló, y se produjo un cortocircuito. El ensayo fue captado en video. Se disparó la protección electromagnética del local. Finalmente se restableció la energía, y se verificó el resultado. Como era de esperar las lámparas dejaron de funcionar, pero no se produjeron daños hacia el exterior de las lámparas, ni en la cubierta, ni el casquillo. No se produjo humo ni otros vapores. Tres de las cuatro lámparas quedaron en cortocircuito y una en circuito abierto. Se midió la temperatura de la cubierta y del casquillo, y se constató que no hubo exceso de calor en la misma. Restablecida la tensión en la lámpara (sólo una de ellas) se constató la inexistencia de fugas de corriente, ni partes externas de la lámpara expuestas a voltajes peligrosos. Para las tres restantes, esto no se pudo verificar, aunque sí inferir un resultado similar desde el punto de vista de su condición segura. Si bien no fue medida, se pudo estimar una importante corriente de cortocircuito, por el daño en el interruptor tecla. RESPUESTA ESPECTRAL A los efectos de seleccionar una lámpara de referencia adecuada, se midió la distribución espectral de la luz emitida por las lámparas de referencia y las del presente estudio, con un espectrorradiómetro Li-Cor 1800, en el rango de 400 nm a 800 nm, con una resolución de 2 nm de longitud de onda. Para estas determinaciones se colocó el detector del equipo a 350 mm del centro de cada lámpara, con una rendija cuadrada de 40 mm² a 100 mm de la lámpara. Por tratarse de medidas comparativas, no se realizó el cociente por un espectro de referencia como es habitual. En la figura 4, donde se representan en abscisas la longitud de onda y en ordenadas la intensidad luminosa correspondiente, se muestran los resultados correspondientes a dos muestras en estudio, junto a otras lámparas LED de similar potencia, dos de 12 VDC dos de 220 VAC. Se observa que para la misma potencia, los picos en 600 nm son mayores para las lámparas que trabajan a 220 VAC, y que dicho pico al comparar, se encuentra en una zona bastante más a la derecha en dichas lámparas. La forma de las curvas en otras zonas del espectro es similar. Como también lo son entre sí las de referencia de 12 V, con las ensayadas, y provistas por las empresas. A la vista de estos resultados, se seleccionó la referencia 2 como patrón para los ensayos que en adelante se describen.

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Figura 4: Respuesta espectral de las muestras y de las referencias. FLUJO LUMINOSO HEMISFÉRICO Se determinó para cada lámpara, la distribución espacial del flujo luminoso con un instrumento construido en el INENCO, que cuenta con un sensor que se desplaza sobre un trayectoria circular con centro en la lámpara en estudio, la que a su vez rota sobre un eje vertical. La combinación de los dos movimientos permite tomar medidas sobre la semiesfera, en puntos de coordenadas preestablecidas, para el trazado de las curvas de distribución luminosa. Para las mediciones que aquí se describen, se hicieron algunas modificaciones al equipo original descripto en un trabajo anterior (Echazú et al, 2016; Apian & von der Hardt, 1998; Alcaldía-Bogotá, 2004). En la figura 5 se indica el sistema de coordenadas polares empleado. El origen O corresponde al centro de la lámpara, como indica la figura 6, y el punto P indica las coordenadas del sensor: azimut φ, latitud Θ y radio r (Rea, 1993; Marx, 1997).

Figura 5: Coordenadas polares. Figura 6: Origen de coordenadas. El sensor luminoso es un CL-705 de Clairex, con pico espectral en 550 nm, un valor muy cercano al del pico de sensibilidad de la visión humana. Se instaló una rendija de 60 mm² y se fijó r = 350 mm. A continuación se midió el flujo luminoso en función de Θ con intervalos de 25° para cinco lámparas tomadas al azar. La figura 7 muestra en abscisas el ángulo Θ y en ordenadas la lectura del sensor. Como era de esperarse en valores cercanos al ángulo de cero grados, y hasta los 25°, la intensidad se mantiene casi constante en todas las muestras, dentro de un margen de error de 50 luxes.

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Figura 7: Ángulo de emisión de cinco lámparas. En la figura 8 se representaron los mismos valores en coordenadas polares. En este caso la distancia al centro representa el valor de lectura.

Figura 8: Intensidad relativa en coordenadas polares. MEDIDAS DE EFICIENCIA LUMINOSA Integrando los datos de la sección anterior, se obtiene, para cada muestra el resultado final con un algoritmo para obtener el flujo total. Con estos valores, y los obtenidos de las medidas de tensión y corriente de cada uno, se obtuvo la eficiencia. Se ensayaron 115 lámparas LED de 7 W de potencia, alimentadas con una fuente de 12 V DC. Una de las lámparas recibidas, no encendió, por lo que los resultados que se consignan, corresponden a las 114 restantes, pertenecientes a todos los lotes de una de las empresas Se verificó que las lámparas encienden en forma independiente de la polaridad del circuito de alimentación.

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Figura 9: Eficiencia media 82 Lm/w De la figura 9 se puede observar también que el flujo luminoso de las lámparas se sitúa en un rango comprendido entre los 520-620 lúmenes. ILUMINANCIA EN FUNCIÓN DEL VOLTAJE Con una fuente de alimentación de voltaje variable, se midió el rango de operación, comprobando que las lámparas encienden sin variación de la intensidad luminosa, con una alimentación entre 10 V y 19 V. Se determinó el flujo luminoso total de todas las muestras, midiendo simultáneamente la corriente de alimentación, la tensión en los bornes y la temperatura del portalámparas. Durante las determinaciones, la temperatura del laboratorio se mantuvo entre 24 °C y 26 °C, mientras que la del portalámparas se estabilizó entre 29 °C y 32 °C, al cabo de 15 minutos de iniciados los ensayos. A partir de los valores obtenidos de tensión corriente y flujo luminoso total, se calculó la eficiencia luminosa de cada muestra. Los resultados se muestran en la figura, donde puede apreciarse la dispersión de los resultados. La línea recta de color azul representa el valor promedio, igual a 81,9 Lm/W. Por otra parte, al encender el detector colocado al lado de la lámpara en estudio, no se perciben interferencias de radiofrecuencia. Como puede observarse en la figura 10, la intensidad medida en un ángulo de cero grados, se mantiene casi constante a partir de los 11 VDC y hasta los 20 VDC (máxima tensión de los ensayos). También se observa que si la lámpara se opera a una tensión de 10,5 V la intensidad decae a la mitad (o sea que si no se calibra adecuadamente el controlador de carga, en niveles bajos de estado de voltaje, o bien de estados de carga, la lámpara puede estar encendida, pero operando en niveles bajísimos de intensidad). Los ensayos se realizaron a temperatura constante de laboratorio (22 °C). Se pudo establecer que las lámparas ensayadas también cumplen con las especificaciones del pliego, en cuanto a eficiencia, protecciones e interferencias electromagnéticas.

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Figura 10: Rango de tensión de funcionamiento de las lámparas. REGISTROS DE TEMPERATURA Para conocer la distribución de temperatura en función del tiempo, se colocaron tres sensores, en el interior del gabinete y uno sobre el portalámparas, conectados a un equipo de adquisición de datos. Los sensores de temperatura empleados son TMP35 y la lectura y registro se realizaron con un equipo basado en Raspberry Pi, descripto en una publicación anterior (Echazú R. et al, 2015). Se indica la ubicación de los sensores: Canal 0 (azul): En el aire a 20 mm del fondo. Canal 1 (rojo): En la cara exterior del portalámparas. Canal 2 (amarillo): En el aire a 30 mm del portalámparas. Canal 3 (verde): En el aire a 20 mm de la cara superior del gabinete. Se observa un detalle importante: la baja sobre elevación de temperatura de las lámparas en una caja cerrada. El ensayo se realizó en condiciones de laboratorio, y con una tensión de alimentación de 12 V. Esto justifica en parte la buena eficiencia de las mismas, pese a no ser de primera marca.

Figura 11: Temperatura de funcionamiento de algunas lámparas.

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CONCLUSIONES Para la realización de estos ensayos se empleó un equipo que permite caracterizar cierto tipo de lámparas LED de baja potencia. Si bien queda mucho trabajo por hacer, se puede afirmar que se puede contar con un equipo que permite determinar (con un error aceptable) el flujo total de lámparas. Se observa también que la elección del paso de Θ para la rotación del sensor puede resultar insuficiente Habrá que ajustar detalles de geometría óptimos entre la posición de la lámpara y el sensor. También habrá que resolver cómo se evalúa la medida de los valores de iluminancia para ángulos cercanos a los 180 grados (o sea próximos a la horizontal). Se puede decir con elevada certeza que las lámparas son seguras en cuanto a que una conexión equivocada a un voltaje de 220VAC. No presentan riesgos para la integridad de las personas, en caso de una conexión equivocada. También y en otro orden de importancia, funcionan muy acopladamente en el rango de operación normal de un acumulador típico de 12 VDC de plomo ácido, cuando está conectado a un regulador de carga debidamente seteado. Las formas de las curvas de las lámparas de 12 VDC, son bastante similares a las equivalentes en 220VAC, con las reservas planteadas anteriormente, y su comportamiento térmico es satisfactorio. La metodología empleada resultó adecuada para la realización de los ensayos requeridos para la licitación. REFERENCIAS Alexander Arias-Cuellar, Joao L. Ealo-Cuello, Eduardo Caicedo, (2007). Diseño, construcción y calibración de un fotogoniómetro para la empresa colombiana de luminarias Roy Alpha S.A Ingeniería y Competitividad, Volumen 9. Apian-Bennewitz, P., & von der Hardt, J. (1998). Enhancing and calibrating a goniophotometer. Solar Energy Materials and Solar Cells 54 (1/4), 309-322. Deshayes (2018) Reliability, Robustneess and Failure Mechanisms of LED Devices. ISTE Press Ltd UK - ISBN 978-1-78548-152-9 Echazú R., Cadena C., (2012), Medida en Laboratorio de la Emisión UV Emitida por Lámparas Fluorescentes Compactas, AVERMA, Vol. 16, ISSN 0329-5184. Echazú R. et al, (2015), Sistema de Medición de Radiación Solar, Almacenamiento y Publicación Web, Acta de la XXXVIII Reunión de Trabajo de ASADES, Vol. 3, ISBN 978-987-29873-0 Echazú R., Cadena C., (2016), Diseño y ensayos preliminares de un prototipo de fotogoniómetro para lámparas de baja potencia. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 20, pp 09.19- 09.28, 2016. Impreso en la Argentina ISSN 2314-1433 Heartville, (2015), www.hertaville.com/interfacing-an-spi-adc-mcp3008-chip-to-the-raspberry-pi Jian Jang Huang (editor) (2018) Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs): Materials, Technologies, and Applications, Second Edition ISBN 978-0-08-101942-9 https://doi.org/10.1016/C2016-0-01551-6 Laprestampa wordpress, (2018), https://laprestampa.wordpress.com Marx, P. (1997). New goniophotometers for lighting-engineering laboratories. Light & Engineering 5 (4), 32-36. http://www.mx-electronic.com/pdf/Drehspiegelengl.PDF Python, (2015), https://www.python.org/

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LOW VOLTAGE LED LAMPS: SOME CONCLUSIONS OF DIFFEREN T TESTS WHEN USED IN ISOLATED PHOTOVOLTAIC SYSTEMS

ABSTRACT: Some results obtained from different tests and procedures implemented in 12 volt DC LED lamps are presented in this paper. These were carried out as part of the certification tests required of suppliers, in bidding documents for public tenders. They were made to these companies through the mechanism of STAN (high level technological service, CONICET), and consisted of different measures of luminous intensity, spectral response, voltage range, temperature variation, real power consumption and the relationship with the flow bright, among others. The results obtained show a low dispersion of the lighting characteristics, as well as a good correspondence with the values published by the manufacturers. On the other hand, an electrical safety test procedure is partially described (at the request of a company tests were carried out referring to what happens to the lamp when it is connected to 220 VAC) of the same type of lamps. Keywords: LED lamp, certification, efficiency, photovoltaic, spectral response

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