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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESIME Zacatenco
Departamento de Ingeniería Eléctrica
DISEÑO DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN HÍBRIDO:
CON BASE EN LED`S Y FIBRA ÓPTICA
Presentan:
CABRERA CEDILLO OSWALDO ISAI EUGENIO MIGUEL RUBEN
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO
ELECTRICISTA
Profesores metodológicos:
Tomas I. Asiain Olivares
Profesor Asesor:
M. en C. Flores Cruz Jesús Alberto
1
“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
INDICEOBJETIVO GENERAL..........................................................................................................4
OBJETIVOS ESPECIFICOS.................................................................................................5
JUSTIFICACIÓN...................................................................................................................6
INTRODUCCIÓN..................................................................................................................7
ILUMINACIÓN...................................................................................................................8
ILUMINACIÓN ELÉCTRICA..............................................................................................8
CAPITULO I..........................................................................................................................9
Características principales..............................................................................................12
Funcionamiento...........................................................................................................13
VENTAJAS..................................................................................................................14
Tipos................................................................................................................................16
Fibra multimodo...........................................................................................................16
Fibra monomodo..........................................................................................................17
Fácil instalación...............................................................................................................18
Inmunidad Electromagnética...........................................................................................18
Iluminación...................................................................................................................19
POF a prueba de futuro...................................................................................................23
Características físicas de los leds...................................................................................25
Principio físico.................................................................................................................25
Teoría de bandas............................................................................................................25
Composición de los Leds................................................................................................26
Led anaranjado y amarillo...........................................................................................27
Led Verde....................................................................................................................27
Criterios de elección........................................................................................................28
Dimensiones y color del diodo.....................................................................................28
2. Ángulo de vista........................................................................................................28
3. Luminosidad.............................................................................................................28
Estructura de un Led.......................................................................................................28
CAPITULO II.......................................................................................................................32
LA VISIÓN DEL COLOR.....................................................................................................32
El espectro electromagnético:.........................................................................................32
La visión del color............................................................................................................33
2
“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Curva Vl y efecto Purkinje...............................................................................................34
Rendimiento de color.......................................................................................................34
Rendimiento de color.......................................................................................................35
Los gráficos de distribución espectral:............................................................................35
Temperatura de color......................................................................................................36
Representación matemática del color.............................................................................37
Temperatura de color......................................................................................................39
Contraste de colores.......................................................................................................40
Reflectancias...................................................................................................................41
Magnitudes y unidades....................................................................................................42
Magnitudes y unidades....................................................................................................43
Iluminación ó Iluminancia:...............................................................................................43
Magnitudes y unidades....................................................................................................44
Luminancia:.....................................................................................................................44
Niveles de Iluminación.....................................................................................................45
Niveles de Iluminación.....................................................................................................46
Aspectos Psicológicos:....................................................................................................46
Las lámparas...................................................................................................................47
Lámparas Incandescentes:.............................................................................................47
Lámparas Fluorescentes:................................................................................................48
CAPITULO III......................................................................................................................50
Las luminarias.................................................................................................................50
La curva de distribución luminosa...................................................................................51
El rendimiento de la luminaria:........................................................................................53
La distribución luminosa:.................................................................................................54
BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................56
OBJETIVO GENERAL
3
“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
DESARROLLAR UN PROTOTIPO DE UNA LUMINARIA QUE OPERE
MEDIANTE ENERGIA NATURAL Y ENERGÍA ELÉCTRICA, UTILIZANDO
FIBRA ÓPTICA Y LED´S
OBJETIVOS ESPECIFICOS
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Definir cuáles son las ventajas de la Fibra Óptica y de Leds en la
implementación de la iluminación.
Desarrollar un prototipo del sistema de iluminación propuesto.
Comparar el sistema de iluminación propuesto con relación a las lámparas
compactas fluorescentes.
Parametrizar el sistema de iluminación propuesto
JUSTIFICACIÓN
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Debido a la demanda creciente de la sociedad mundial, se ha tenido con el
tiempo que crear cada vez más sistemas de iluminación para satisfacer
necesidades de iluminación
Hoy en día los temas ecológicos son de gran importancia, tanto para la
sociedad como para las grandes empresas, el principal problema que se
tiene es el calentamiento global, por lo que al implementar un diseño de
iluminación hibrido novedoso y a base de Led`s y fibra óptica, no solo se
está ahorrando energía, sino que también se contribuye a que este
sistema no genere calor para evitar el consumo excesivo de energía
eléctrica.
En otros países desarrollados la tecnología de los Led`s está pasado a ser
de menor importancia y han buscado nuevas alternativas como lo es la fibra
óptica por poseer mejores propiedades en cuestión de transmisión de
energía eléctrica y natural. Por lo que se busca implementar una
combinación de ambas tecnologías para que la sociedad pueda en un
futuro no muy lejano utilizar este tipo de sistemas de iluminación, ya sea en
el hogar o en la industria.
INTRODUCCIÓN
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
La ingeniería ha tenido una gran importancia en el diseño, esta actividad se
ve como un simple acto de intervención estética hacia los objetos destinado
a proveer la forma, entendida como la estructura y función de los objetos.
Esta es una definición inmanente al diseño, aunque todas las disciplinas de
uno u otro modo diseñan, el diseñar no se restringe necesariamente a
productos materiales. El diseño propuesto tendrá las siguientes
características:
1. Que se puede manifestar en cualquier área de actividad humana donde
tenga que estar iluminada
2. Está orientado hacia el futuro.
3. Se relaciona con la innovación.
4. Esta orientado a la acción eficiente.
5. Enfoca la interacción entre usuario y artefacto.
En el presente trabajo se tiene planeado diseñar una luminaria usando fibra
óptica, Led`s, así como la energía solar y eléctrica, por lo que en el capítulo
uno se hablará de cómo funciona la fibra óptica y los Led`s. También de los
diferentes tipos, de fibra óptica y de Led`s, que existen y que pueden estar
al alcance. Se dará una breve explicación de tipos, características técnicas
y mecánicas de nuestros componentes de la luminaria.
Una vez entendida como funciona y de qué están hechos los componentes
del sistema de iluminación propuesto, se empezará a explicar la aplicación
que tienen en lo se refiere a la iluminación. De esto tratará el capítulo dos.
El capítulo tres se hablará del diseño de la luminaria, de la estructura y de
su funcionamiento.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Por último se tendrán las ventajas que tiene la luminaria propuesta y también se
parametrizará para así conocer los alcances que tiene dicho sistema.
ILUMINACIÓN
Es la luz cayendo sobre una superficie, sus unidades son los pies candelas.
ILUMINACIÓN ELÉCTRICA
Es la acción de iluminar mediante cualquiera de los números dispositivos que
convierten la energía eléctrica en luz.
Las principales cualidades de un alumbrado, se pueden definir de la
siguiente forma:
Adecuada intensidad de iluminación.
Conveniente distribución espacial de la luz que comprende de la combinación de
la luz general y la luz dirigida o funcional
Conveniente angulo de incidencia del flujo luminoso, adecuada distribución de
luminancias
Eliminación de toda fuente de deslumbramiento en todo el campo visual
Adecuado color de la radiación luminosa y conveniente reproducción de colores.
Ajustada elección de la fuente luminosa con su particular característica de
distribución
CAPITULO I
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
GENERALIDADES (CONCEPTOS), CARACTERISTICAS, TIPOS Y
FUNCIONAMIENTO DE LA FIBRA ÓPTICA PLÁSTICA Y DE LOS LED´S
¿QUÉ ES LA FIBRA ÓPTICA (F.O.)?
La fibra óptica es un material que sirve como medio de transmisión de información
en forma de datos a través de luz visible fabricada de vidrio (F.O.) o de plástico
(F.O.P.)
La fibra óptica de vidrio utilizada para las comunicaciones es un tipo de fibra óptica
que trasmite información a través de la luz para llegar a convertirse en datos; lo
inconveniente para el uso de iluminación es que es poco maleable, muy dura y
demasiado costosa.
COMPARACIONES ENTRE FO tradicional (vidrio) Y FOP
Fibra plástica vs fibra óptica tradicional
En esta ocasión, recopilamos una comparativa ilustrativa de las ventajas del cable
de fibra plástica con respecto al cable en fibra óptica tradicional e, incluso, al cable
de cobre.
La terminación del cable POF requiere sólo 25 segundos y se hace con
accesorios sencillos. Como la fibra plástica tolera los desajustes, el
funcionamiento está garantizado.
Es posible la verificación del funcionamiento, gracias al uso de luz visible la
alineación se hace fácilmente en pocos segundos y no son necesarios
comprobadores u otros instrumentos, basta controlar si la luz “sale” del
cable.
Es ideal en todos aquellos lugares en los que la colocación de cables o
nuevas canaletas sea imposible o antiestética, por ejemplo, museos,
edificios, iglesias, museos, etc.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
La fibra óptica plástica es un material aislante, por lo tanto puede pasar
también por las canaletas de la instalación eléctrica según la ley 46/90.
Es inmune a las interferencias, no es afectada por las interferencias que
generan cables eléctricos, neones y antenas.
Seguridad a diferencia de los sistemas wireless, intrínsecamente inseguros
a nivel hardware MAC, la fibra plástica no puede ser interceptada y la
comunicación no puede ser interrumpida con facilidad. Además la fibra
plástica no emite radiaciones.
este tipo de fibra plástica transmite la señal hasta 150 m sin repetidores,
permitiendo ahorrar los costos de los amplificadores/ecualizadores.
El cable de fibra plástica tolera curvaturas inferiores a los 20 mm, funciona
a temperaturas que van desde -40 a +85 °C y está garantizado por un
millón de ciclos de flexión a 360°, ideal para conectar cámaras en brazos y
cables móviles.
En cuanto a la resistencia mecánica, la fibra plástica es usada desde hace
años en la industria automotriz porque es resistente a los golpes, tirones y
vibraciones y, por lo tanto, es ideal para ser colocada en ambientes
hostiles.
Su resistencia a la humedad no tiene precedentes, la fibra plástica no se
oxida y no se deteriora al estar expuesta a la lluvia o el salitre, garantizando
la conectividad del cable y una vida superior a los 20 años.
La fibra plástica no conduce corriente y por lo tanto puede ser colocada
también en ambientes en los que están presentes vapores o substancias
inflamables y explosivas, sin necesidad de usar cable canales Ex-D o
costosos cables antiexplosiones.
Alimentación remota usando un cable híbrido, que contiene en su interior
tanto los cables eléctricos para la corriente como la fibra plástica para la
señal, se puede usar un solo cable para transmitir los datos y para la
alimentación.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Es fácil de mantener: cualquier persona puede reparar un cable en fibra
plástica en menos de 30 segundos con un par de tijeras, un pelacables, y
una lijadora, eliminando así los costos de mantenimiento.
Estudios independientes han demostrado que la vida útil de un cable en
fibra plástica es superior a 20 años y, por lo tanto, asegura la duración y da
confiabilidad y garantía a las instalaciones.
La fibra óptica plástica (o POF) es un tipo de fibra óptica hecha esencialmente
de plástico. Generalmente, con un núcleo de polimetilmetacrilato y un
revestimiento de polímeros fluoruratos.
Fueron unos investigadores coreanos del Korea Institute of Science and
Technology los que descubrieron que este tipo de fibra era una alternativa
económica a la fibra óptica tradicional o de vidrio.
Para la fabricación de fibras plásticas flexibles se utiliza polimetilmetacrilato
(PMMA) y el diámetro de su núcleo es de un milímetro. Estas fibras destacan
porque su producción es barata, su instalación sencilla y la transmisión de luz a
través de ellas es más segura y requiere menos mantenimiento que las versiones
infrarrojas
Características principales
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
En fibras de largo diámetro, el 96% del corte transversal está destinado para la
transmisión de la luz. El tamaño del núcleo es 100 veces mayor que el de la fibra
de vidrio
Una de sus características más importantes es la gran flexibilidad que tiene,
soportando 20mm de curvatura. Posibilita la conexión en los hogares,
contraponiendose a la rigidez de la fibra óptica tradicional.
La fibra plástica no conduce corriente y por eso puede ser colocada también en
ambientes en los que están presentes vapores o substancias inflamables y
explosivas.
La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas.
Núcleo y revestimiento de la fibra óptica.
Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y
germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material
similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una
superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte,
cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se
habla entonces de reflexión interna total.
En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en
ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas
distancias.
A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica, algunas de sus
características han ido cambiando para mejorarla. Las características más
destacables de la fibra óptica en la actualidad son:
Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que
las cubiertas convencionales.
Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones ultravioleta,
la cubierta resistente y el funcionamiento ambiental extendido de la fibra
óptica contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida de la
fibra.
Mayor protección en lugares húmedos: Se combate la intrusión de la
humedad en el interior de la fibra con múltiples capas de protección
alrededor de ésta, lo que proporciona a la fibra, una mayor vida útil y
confiabilidad en lugares húmedos.
Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el
menor diámetro posible se consigue una más rápida y más fácil instalación,
donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios estrechos. Se
ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcción súper densa
cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales.
Funcionamiento
Los principios básicos de su funcionamiento se justifican aplicando las leyes de la
óptica geométrica, principalmente, la ley de la refracción (principio de reflexión
interna total) y la ley de Snell.
Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal
que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de
refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al
ángulo limite.
VENTAJAS
1.- Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden
del Ghz).
2.- Pequeño tamaño, por tanto ocupa poco espacio.
3.- Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita
la instalación enormemente.
4.- Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro, lo que
resulta unas nueve veces menos que el de un cable convencional.
5.- Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica
una calidad de transmisión muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas,
chisporroteo...
6.- Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el
debilitamiento de la energía luminosa en recepción, además, no radia nada, lo que
es particularmente interesante para aplicaciones que requieren alto nivel de
confidencialidad.
7.- No produce interferencias.
8.- Insensibilidad a los parásitos, lo que es una propiedad principalmente utilizada
en los medios industriales fuertemente perturbados (por ejemplo, en los túneles
del metro). Esta propiedad también permite la coexistencia por los mismos
conductos de cables ópticos no metálicos con los cables de energía eléctrica.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
9.- Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia, lo que permite salvar
distancias importantes sin elementos activos intermedios.
10.- Gran resistencia mecánica (resistencia a la tracción, lo que facilita la
instalación).
11.- Resistencia al calor, frío, corrosión.
12.- Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la
telemetría, lo que permite detectar rápidamente el lugar y posterior reparación de
la avería, simplificando la labor de mantenimiento.
DESVENTAJAS
En su contra se argumenta que no son aptas para la transmisión de datos a larga
distancia y alta velocidad
La alta fragilidad de las fibras.
Necesidad de usar transmisores y receptores más caros.
Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el
campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.
No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.
La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión
eléctrica-óptica.
No existen memorias ópticas.
Así mismo, el costo de la fibra sólo se justifica cuando su gran capacidad de ancho
de banda y baja atenuación son requeridos. Para bajo ancho de banda puede ser
una solución mucho más costosa que el conductor de cobre.
La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el
terminal de recepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía
debe proveerse por conductores separados.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir
cambios en la atenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el
mecanismo más importante para el envejecimiento de la fibra óptica.
Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los
parámetros de los componentes, calidad de la transmisión y pruebas.
Tipos
Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una
fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación
tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.
Fibra multimodo
Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más
de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra
multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras
multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1
km; es simple de diseñar y económico.
El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del
mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo
de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a
componentes de menor precisión.
Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra
multimodo:
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de
refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión
modal.
Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es
constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de
distintos materiales.
Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según
su ancho de banda se incluye el formato OM3 (monomodo sobre láser) a los ya
existentes OM1 y OM2 (monomodos sobre LED).
OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan
LED como emisores
OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED
como emisores
OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet(300 m), usan
láser (VCSEL) como emisores.
Bajo OM3 se han conseguido hasta 2000 MHz·Km (10 Gbps), es decir, una
velocidades 10 veces mayores que con OM1.
Fibra monomodo
Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de
luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a
10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es
paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras
monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo,
mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información
(decenas de Gb/s).
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
BENEFICIOS
Fácil instalación
Una de las virtudes de POF es su instalación.
A pesar del alto nivel tecnológico de POF, su instalación es más sencilla que las
alternativas de cable normal. Al estar formado por plásticos, POF no conduce
corriente eléctrica y por tanto su manipulación es completamente segura a
descargas eléctricas.
POF puede ser instalado tanto por un profesional, como por uno mismo; con
herramientas básicas, en pocos minutos.
La instalación de POF utiliza conectores estándar que no requieren cabezales, lo
que además reduce los costos de implementación.
Inmunidad Electromagnética
Al igual que la Fibra Óptica tradicional, POF es completamente inmune a
variaciones electromagnéticas producidas por los cables de cobre (cableado
eléctrico o de datos), puede ser instalado junto al cableado eléctrico sin
problemas. Este punto es realmente importante para la transimisión de datos
multimedia, donde la calidad de la señal se puede ver afectada negativamente por
las interferencias electromagnéticas.
USOS Y APLICACIONES
El abanico de aplicaciones para las FOP y su tecnología óptica es amplio y su
ulterior desarrollo favorecería a una amplia gama de sectores en los años
venideros.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Iluminación
Otro uso que le podemos dar a la fibra óptica es el de iluminar cualquier espacio.
Debido a las ventajas que este tipo de iluminación representa en los últimos años
ha empezado a ser muy utilizado.
Entre las ventajas de la iluminación por fibra podemos mencionar:
Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra sólo tiene la
capacidad de transmitir los haces de luz además de que la lámpara que
ilumina la fibra no está en contacto directo con la misma.
Se puede cambiar de color la iluminación sin necesidad de cambiar la
lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz de
cualquier color sin importar el color de la fibra.
Con una lámpara se puede hacer una iluminación más amplia por medio de
fibra: Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias fibras
y colocarlas en diferentes lugares.
Su uso se centra en la conexión entre el consumidor y el proveedor de servicios.
No es tan rápida como la fibra óptica tradicional, pero su velocidad de 2.5 GB por
segundo da un salto cualitativo con respecto al par de cobre (100 MB por
segundo).
También se está usando la POF para el control industrial, la iluminación (carteles
luminosos), la medicina, las telecomunicaciones, el mercado aeroespacial,
etcétera.
Puede que no sea tan rápida como la fibra óptica tradicional, pero sus velocidades
de transferencia de 2,5 Gbytes por segundo. La fibra óptica tradicional no se
puede doblar y es frágil, pero esta nueva tecnología sí se puede doblar para ser
conectada fácilmente a los hogares de los suscriptores de estos servicios.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Desde hace muchos años la fibra óptica plástica (FOP) se utiliza en el mercado
internacional en diversos productos. Sin embargo, recientemente su uso se ha
incrementado en las comunicaciones, la transmisión de datos, audio y video, etc.,
convirtiéndose en una excelente oportunidad de negocio.
La FOP tiene características que la hacen una opción viable para diversas
aplicaciones: su conectorización es más sencilla, tiene mayor flexibilidad que la
fibra óptica de vidrio, ofrece ventajas significativas para distancias cortas, posee
mayores diámetros (1 mm vs. .0625 mm), y sobre todo, es menos costosa.
Mercados y proyectos empresariales
Hoy en día, un gran número de sectores y actividades están abiertos a la FOP, por
ejemplo, la informática, el control industrial, la iluminación, la medicina, las
telecomunicaciones, los mercados automotriz y aeroespacial, etcétera.
Actualmente, Grupo Condumex es el único fabricante de FOP en Latinoamérica, y
trabaja de manera continua en su desarrollo, en el Centro de Investigación y
Desarrollo (CIDEC), ubicado en Querétaro.
Desarrollos Condumex
Grupo Condumex participa en múltiples proyectos que aprovechan esta tecnología
para distintos fines:
Uno de ellos es la iluminación punto a punto de la FOP mediante leds, que se
utiliza para la elaboración de ropa con “marquesinas” propias y se aplica en
pantalones, chamarras, gorras y en letreros promocionales para diferentes
productos. Para ello se emplea la FOP de 0.25 mm.
Asimismo, la FOP de 1.5 mm y 0.5 mm se aplica en letreros de iluminación para
compañías de turismo que se colocan en centros vacacionales y cruceros
turísticos.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Condumex también trabaja de manera conjunta con una compañía líder en el
desarrollo de un producto para iluminar albercas, basado en el uso de un cable de
FOP de 6x4x0.75 aislado con PVC de cristal transparente, que elimina el peligro
de electrificación. Asimismo, se trabaja en diversas aplicaciones de la FOP
desnuda de 0.25 mm, 0.50 mm, 0.75 mm y 1 mm.
Otro ambicioso proyecto en el que participa Condumex es en el desarrollo de
cables de 25, 50, 75 y 100 fibras agrupadas y aisladas con PVC negro que sirven
para la iluminación de punto a punto -con un iluminador muy poderoso,
desarrollado por otra compañía-, para el alumbrado de obras de arte y vitrinas de
museos que no deben ser expuestas a la luz directa.
La FOP también se emplea con éxito para la iluminación de áreas comunes,
facilitando el cambio de focos cuando los techos son muy altos o de difícil
mantenimiento. Actualmente Condumex tiene un proyecto de iluminación de este
tipo para el World Trade Center de la Ciudad de México.
Condumex también aplica este producto a tableros de publicidad dinámicos, tipo
marquesina, que pueden cambiar de colores y presentación gracias a la
iluminación punto a punto, ya sea con carruseles o con leds. Para ello se utiliza
FOP de 2 mm, 1 mm y 0.5 mm.
En el área automotriz, la FOP se utiliza en los triángulos de seguridad que
emplean los vehículos en carretera, ya que les proporciona iluminación propia.
Para este propósito resulta útil la FOP de iluminación lateral con sus propios leds y
fuentes de energía.
El proyecto financiado con fondos comunitarios POLYCOM («Fibras ópticas
plásticas con polímeros activos incorporados para la comunicación de datos»).
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Subvencionado con 1,55 millones de euros, procedentes del área temática
«Tecnologías para la Sociedad de la Información» (IST) perteneciente al Sexto
Programa Marco (6PM), POLYCOM ha impulsado el empleo de FOP en
computación óptica, redes de área local (LAN) de velocidad ultra alta y nuevos
dispositivos sensores.
La FOP dedicada a la transmisión de datos viene a ser la «versión de consumo»
de la fibra óptica de vidrio y se emplea en las rutas troncales de larga distancia de
las redes globales de telecomunicaciones. Para la fabricación de fibras plásticas
flexibles se utiliza polimetilmetacrilato (PMMA) y el diámetro de su núcleo es de un
milímetro. Estas fibras destacan porque su producción es barata, su instalación
sencilla y la transmisión de luz a través de ellas es más segura y requiere menos
mantenimiento que las versiones infrarrojas. En su contra se argumenta que no
son aptas para la transmisión de datos a larga distancia y alta velocidad.
«El abanico de aplicaciones para las FOP y su tecnología óptica es amplio y su
ulterior desarrollo favorecería a una amplia gama de sectores en los años
venideros», afirmó Guglielmo Lanzani de la Universidad Técnica de Milán (Italia) y
coordinador de POLYCOM.
El consorcio POLYCOM, que reúne a seis socios de Alemania, Italia, Portugal y
Reino Unido, ha logrado desarrollar el primer interruptor completamente óptico de
alta velocidad para redes FOP, un avance pionero que satisfará la necesidad de la
industria y la ciencia de una transmisión óptica de datos rápida.
Los socios del proyecto probaron la técnica proyectando dos haces de luz
procedentes de una fuente de láser de pulsos únicos en una fibra óptica plástica
especial. Las propiedades físicas de la fibra óptica plástica se modificaron
químicamente (se dopó la FOP) con polímeros fotoactivos con el fin de modificar
la transmisión de fotones.
Según los investigadores es posible utilizar un pulso de luz para anular el otro si
se solapan en el espacio y el tiempo. De esta forma se logra pasar de la posición
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
de encendido a la de apagado y transmitir datos digitales. Además consiguieron
invertir esta situación en cuestión de apenas unos pocos femtosegundos (un
femtosegundo equivale a la milbillonésima parte de un segundo) gracias a las
propiedades específicas de las FOP dopadas.
«Esta técnica no sólo aumentará la velocidad de trasmisión de datos en redes
FOP; también se podría utilizar para la multiplexación por división de tiempo
(TDM) para aumentar el ancho de banda de las redes ópticas por encima de lo
que posibilitan las técnicas actuales de multiplexación por división de longitud de
onda (WDM)», explicó el profesor Lanzani.
Los socios informan de que la FOP dopada utilizada para el interruptor óptico fue
un polifluoreno denominado F8BT. Además lograron desarrollar varios tipos
nuevos de FOP dopada.
«En total hemos desarrollado y probado cinco o seis generaciones de materiales
nuevos usando distintos agentes químicos dopantes con el fin de mejorar sus
propiedades ópticas y lograr una dispersión óptima del agente dopante del
polímero en varios casos», afirmó el coordinador del proyecto. «Cada uno de los
materiales posee características diferentes que los hacen aptos para distintas
aplicaciones.»
En la comunidad científica y la industria se está evaluando el posible empleo de
FOP para la fabricación de nuevos dispositivos sensores
POF a prueba de futuro
Cuando se desarrolla una nueva tecnología, lo primero que se evalúa es su
obsolescencia en el tiempo. La ingeniería aplicada en POF se ha reconocido por
ser “A prueba de Futuro” (Future-Proof). Al tratarse sólo de un producto conductor
de luz; cuya velocidad y mejoras radican en el desarrollo de sus conectores,
instalar POF hoy da la seguridad que será compatible con las tecnologías del
mañana
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
DE EMISIÓN PUNTUAL O LATERAL
LED´s
¿QUÉ ES UN LED?
Los LED son dispositivos semiconductores de estado sólido lo cual los hace
robustos, fiables, de larga duración y a prueba de vibraciones, que pueden
convertir la energía eléctrica directamente en luz. El interior de un LED es un
pequeño semiconductor encapsulado en un recinto de resina de epoxi.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Características físicas de los leds
Principio físico
El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas, por la cual,
una tensión externa aplicada a una unión p-n polarizada directamente, excita los
electrones, de manera que son capaces de atravesar la banda de energía que
separa las dos regiones. Si la energía es suficiente los electrones escapan del
material en forma de fotones.
Cada material semiconductor tiene unas determinadas características que y por
tanto una longitud de onda de la luz emitida.
A diferencia de las lámparas de incandescencia cuyo funcionamiento es por una
determinada tensión, los Led funcionan por la corriente que los atraviesa. Su
conexión a una fuente de tensión constante debe estar protegida por una
resistencia limitadora. En la siguiente figura se puede apreciar una representación
característica de potencia-intensidad.
Teoría de bandas
En un átomo aislado los electrones pueden ocupar determinados niveles
energéticos pero cuando los átomos se unen para formar un cristal, las
interacciones entre ellos modifican su energía, de tal manera que cada nivel inicial
se desdobla en numerosos niveles, que constituyen una banda, existiendo entre
ellas huecos, llamados bandas energéticas prohibidas, que sólo pueden salvar los
electrones en caso de que se les comunique la energía suficiente. En los aislantes
la banda inferior menos energética (banda de valencia) está completa con los e-
más internos de los átomos, pero la superior (banda de conducción) está vacía y
separada por una banda prohibida muy ancha (~ 10 eV), imposible de atravesar
por un e-. En el caso de los conductores las bandas de conducción y de valencia
se encuentran superpuestas, por lo que cualquier aporte de energía es suficiente
para producir un desplazamiento de los electrones.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Entre ambos casos se encuentran los semiconductores, cuya estructura de
bandas es muy semejante a los aislantes, pero con la diferencia de que la anchura
de la banda prohibida es bastante pequeña. Los semiconductores son, por lo
tanto, aislantes en condiciones normales, pero una elevación de temperatura
proporciona la suficiente energía a los electrones para que, saltando la banda
prohibida, pasen a la de conducción, dejando en la banda de valencia el hueco
correspondiente.
En el caso de los diodos Led los electrones consiguen saltar fuera de la estructura
en forma de radiación que percibimos como luz (fotones).
Composición de los Leds
Para obtener colores distintos en los diodos LED se aplican diferentes
composiciones, a continuación haremos una breve descripción de algunas de las
distintas posibilidades. Vamos a describir la composición que caracteriza a cada
uno de los tres colores más utilizados: el rojo, verde y el amarillo.
Led Rojo
Formado por GaP consiste en una unión p-n obtenida por el método de
crecimiento epitaxial del cristal en su fase líquida, en un substrato.
La fuente luminosa está formada por una capa de cristal p junto con un complejo
de ZnO, cuya máxima concentración está limitada, por lo que su luminosidad se
satura a altas densidades de corriente. Este tipo de Led funciona con baja
densidades de corriente ofreciendo una buena luminosidad, utilizándose como
dispositivo de visualización en equipos portátiles. El constituido por GaAsP
consiste en una capa p obtenida por difusión de Zn durante el crecimiento de un
cristal n de GaAsP, formado en un substrato de GaAs, por el método de
crecimiento epitaxial en fase gaseosa. Actualmente se emplea los Led de GaAlAs
debido a su mayor luminosidad.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
El máximo de radiación se halla en la longitud de onda 660 nm.
Led anaranjado y amarillo
Están compuestos por GaAsP al igual que sus hermanos los rojos pero en este
caso para conseguir luz anaranjada y amarilla así como luz de longitud de onda
más pequeña, lo que hacemos es ampliar el ancho de la “banda prohibida”
mediante el aumento de fósforo en el semiconductor.
Su fabricación es la misma que se utiliza para los diodos rojos, por crecimiento
epitaxial del cristal en fase gaseosa, la formación de la unión p-n se realiza por
difusión de Zn.
Como novedad importante en estos Leds se mezcla el área emisora con una
trampa isoelectrónica de nitrógeno con el fin de mejorar el rendimiento.
Led Verde
El Led verde está compuesto por GaP. Se utiliza el método de crecimiento
epitaxial del cristal en fase líquida para formar la unión p-n.Al igual que los Leds
amarillos, también se utiliza una trampa isoelectrónica de nitrógeno para mejorar
el rendimiento. Debido a que este tipo de Led posee una baja probabilidad de
transición fotónica, es importante mejorar la cristalinidad de la capa n. La
disminución de impurezas a larga la vida de los portadores, mejorando la
cristalinidad.
Su máxima emisión se consigue en la longitud de onda 555 nm.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Criterios de elección
Dimensiones y color del diodo
Actualmente los Leds tienen diferentes tamaños, formas y colores. Tenemos Leds
redondos, cuadrados, rectangulares, triangulares y con diversas formas.Los
colores básicos son rojo, verde y azul, aunque podemos encontrarlos naranjas,
amarillos incluso hay un Led de luz blanca. Las dimensiones en los Led redondos
son 3mm, 5mm, 10mm y uno gigante de 20mm. Los de formas poliédricas suelen
tener unas dimensiones aproximadas de 5x5mm.
2. Ángulo de vista
Esta característica es importante, pues de ella depende el modo de observación
del Led, es decir, el empleo práctico de aparato realizado.Cuando el Led es
puntual la emisión de luz sigue la ley de Lambert, permite tener un ángulo de vista
relativamente grande y el punto luminoso se ve bajo todos los ángulos.
3. Luminosidad
La intensidad luminosa en el eje y el brillo están intensamente relacionados.
Tanto si el Led es puntual o difusor, el brillo es proporcional a la superficie de
emisión. Si el Led es puntual, el punto será más brillante, al ser una superficie
demasiado pequeña. En uno difusor la intensidad en el eje es superior al modelo
puntual.
Estructura de un Led
Existen numerosos encapsulados disponibles para los leds y su cantidad se
incrementa de año en año a medida que las aplicaciones de los leds se hacen
más especificas.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Por ahora nos detendremos a estudiar las partes constitutivas de un led a través
de la siguiente imagen la cual representa tal vez el encapsulado más popular de
los leds que es el T1 ¾ de 5mm. de diámetro.
Como vemos el led viene provisto de los dos terminales correspondientes que
tienen aproximadamente 2 a 2,5 cm de largo y sección generalmente de forma
cuadrada. En el esquema podemos observar que la parte interna del terminal del
cátodo es más grande que el ánodo, esto es porque el cátodo está encargado de
sujetar al sustrato de silicio, por lo tanto será este terminal el encargado de disipar
el calor generado hacia el exterior ya que el terminal del ánodo se conecta al chip
por un delgado hilo de oro, el cual prácticamente no conduce calor. Es de notar
que esto no es así en todos los leds, solo en los últimos modelos de alto brillo y en
los primeros modelos de brillo estándar, ya que en los primeros led de alto brillo es
al revés. Por eso no es buena política a la hora de tener que identificar el cátodo,
hacerlo observando cual es el de mayor superficie. Para eso existen dos formas
más convenientes, la primera y más segura es ver cuál es el terminal más corto,
ese es siempre el cátodo no importa que tecnología sea el led. La otra es
observar la marca plana que también indica el cátodo, dicha marca plana es una
muesca o rebaje en un reborde que tiene los leds. Otra vez este no es un método
que siempre funciona ya que algunos fabricantes no incluyen esta muesca y
algunos modelos de leds pensados para aplicaciones de clúster donde se
necesitan que los leds estén muy pegados, directamente no incluye este reborde.
El terminal que sostiene el sustrato cumple otra misión muy importante, la de
reflector, ya que posee una forma parabólica o su aproximación semicircular, este
es un punto muy crítico en la fabricación y concepción del led ya que un mal
enfoque puede ocasionar una pérdida considerable de energía o una proyección
despareja.
Un led bien enfocado debe proyectar un brillo parejo cuando se proyecta sobre
una superficie plana. Un led con enfoque defectuoso se puede identificar porque
proyecta formas que son copia del sustrato y a veces se puede observar un aro
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
más brillante en el exterior de circulan, síntoma seguro de que la posición del
sustrato se encuentra debajo del centro focal del espejo terminal.
Dentro de las características ópticas del led aparte de su luminosidad esta la del
ángulo de visión, se define generalmente el ángulo de visión como el
desplazamiento angular desde la perpendicular donde la potencia de emisión
disminuye a la mitad. Según la aplicación que se le dará al led se necesitara
distintos ángulos de visión así son típicos leds con 4, 6, 8, 16, 24, 30, 45,60 y
hasta 90 grados de visión. Generalmente el ángulo de visión está determinado por
el radio de curvatura del reflector del led y principalmente por el radio de curvatura
del encapsulado. Por supuesto mientras más chico sea el ángulo y a igual sustrato
semiconductor se tendrá una mayor potencia de emisión y viceversa.
Otro componente del led que no es muestra en la figura pero que es común
encontrarlo en los led de 5mm son los stand-off o separadores, son topes que
tienen los terminales y sirven para separar los leds de la plaqueta en aplicaciones
que así lo requieren, generalmente si se va colocar varios leds en una plaqueta
conveniente que no tenga stand – off ya que de esta forma el encapsulado del led
puede apoyarse sobre la plaqueta lo que le dará la posición correcta, esto es
especialmente importante en leds con ángulo de visión reducido.Por último
tenemos el encapsulado epoxi que es el encargado de proteger al semiconductor
de las inclemencias ambientales y como dijimos ayuda a formar el haz de emisión.
Existen básicamente 4 tipos de encapsulado si lo catalogamos por su color.·
Transparente o clear water (agua transparente): Es el utilizado en leds de alta
potencia de emisión, ya que el propósito de estos leds es fundamentalmente
iluminar, es importante que estos encapsulados no absorban de ninguna manera
la luz emitida.
· Coloreados o tinted: Similar al anterior pero coloreado con el color de
emisión de sustrato similar al vidrio de algunas botellas, se usa principalmente en
leds de mediana potencia y/o donde sea necesario identificar el color del led aun
apagado.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
· Difuso o difused: Estos leds tiene un aspecto más opacos que el anterior y
están coloreados con el color de emisión, poseen pequeñas partículas en
suspensión de tamaño microscópicos que son las encargadas de desviar la luz,
este tipo de encapsulado le quita mucho brillo al led pero le agrega mucho ángulo
de visión ya que los múltiples rebotes de la luz dentro del encapsulo le otorgan un
brillo muy parejo sobre casi todos los ángulos prácticos de visión.
· Lechosos o Milky: Este tipo de encapsulado es un tipo difuso pero sin
colorear, estos encapsulado son muy utilizados en leds bicolores o multicolores. El
led bicolor es en realidad un led doble con un cátodo común y dos ánodos (3
terminales) o dos led colocados en contraposición (2 terminales). Generalmente el
primer caso con leds rojo y verde es el más común aunque existen otras
combinaciones incluso con más colores.
Es muy importante hacer notar que en todos los casos el sustrato del led es el que
determina el color de emisión y no el encapsulado. Un encapsulado con frecuencia
de paso distinta a la frecuencia de emisión del sustrato solo lograría filtrar la luz
del led, bajando así su brillo aparente al igual que todo objeto colocado delante de
él.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
CAPITULO II
LA VISIÓN DEL COLOR
El espectro electromagnético:
El universo por doquier se encuentra rodeado por Ondas Electromagnéticas de
diversas longitudes. La luz es la porción de este espectro que estimula la retina del
ojo humano permitiendo la percepción de los colores. Esta región de las ondas
electromagnéticas se llama Espectro Visible y ocupa una banda muy estrecha de
este espectro.
Cuando la luz es separada en sus diversas longitudes de onda componentes es
llamada Espectro. Si se hace pasar la luz por un prisma de vidrio transparente,
produce un espectro formado por los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul,
indigo y violeta. Este fenémeno es causado por las diferencias de sus longitudes
de onda. El rojo es la longitud del onda más larga y el violeta la más corta. El ojo
humano percibe estas diferentes longitudes de onda como Colores.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
La visión del color
El espectro visible para el ojo humano es aquel que vá desde los 380nm de
longitud de onda para el color violeta hasta los 780 nm para el color rojo. Fuera de
estos límites, el ojo no percibe ninguna clase de radiación.
La sensibilidad del ojo a las distintas longitudes de onda de la luz del mediodía
soleado, suponiendo a todas las radiaciones luminosas de igual energía, se
representa mediante una curva denominada “curva de sensibilidad del ojo” ó
“curva Vl “.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Curva Vl y efecto Purkinje
El ojo tiene su mayor sensibilidad en la longitud de onda de 555 nm que
corresponde al color amarillo verdoso y la mínima a los colores rojo y violeta. Esta
situación es la que se presenta a la luz del día ó con buena iluminación y se
denomina “visión fotópica” (actúan ambos sensores de la retina: los conos,
fundamentalmente sensibles al color y los bastoncillos, sensibles a la luz).
En el crepúsculo y la noche, (“visión escotópica”) se produce el denominado
Efecto Purkinje, que consiste en el desplazamiento de la curva Vl hacia las
longitudes de onda más bajas, quedando la sensibilidad máxima en la longitud de
onda de 507 nm. Esto significa que, aunque no hay visión de color, (no trabajan
los conos) el ojo se hace relativamente muy sensible a la energía en el extremo
azul del espectro y casi ciego al rojo; es decir que, durante el Efecto Purkinje, de
dos haces de luz de igual intensidad, uno azul y otro rojo, el azul se verá mucho
más brillante que el rojo.
Rendimiento de color
“El color es luz...no existe el color sin luz”
Se dice que un objeto es rojo porque refleja las radiaciones luminosas rojas y
absorbe todos los demás colores del espectro. Esto es válido si la fuente luminosa
produce la suficiente cantidad de radiaciones en la zona roja del espectro visible.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Por lo tanto, para que una fuente de luz sea considerada como de buen
“rendimiento de color”, debe emitir todos los colores del espectro visible. Si falta
uno de ellos, este no podrá ser reflejado.
Las propiedades de una fuente de luz, a los efectos de la reproducción de los
colores, se valorizan mediante el “Indice de Reproducción Cromática” (IRC) ó CRI
(“Color Rendering Index”).
Este factor se determina comparando el aspecto cromático que presentan los
objetos iluminados por una fuente dada con el que presentan iluminados por una
“luz de referencia”. Los espectros de las lámparas incandescentes ó de la luz del
día se denominan “continuos” por cuanto contienen todas las radiaciones del
espectro visible y se los considera óptimos en cuanto a la reproducción cromática;
se dice que tienen un IRC= 100. En realidad ninguno de los dos es perfecto ni
tampoco son iguales. (al espectro de la lámpara incandescente le falta
componente “azul” mientras que a la luz del día “roja”).
Si por el contrario el espectro muestra interrupciones, como por ejemplo el de las
lámparas de descarga, se dice que es un espectro “discontinuo”, ya que presenta
diversas “líneas espectrales” propias del material emisor.
Rendimiento de color
Los gráficos de distribución espectral:
Estos “gráficos o curvas de distribución espectral” permiten al proyectista tener
una rápida apreciación de las características de color de una determinada fuente.
En base a este criterio se clasifican las fuentes de luz artificial. Se dirá que una
lámpara tiene un rendimiento cromático óptimo si el IRC está comprendido entre
85 y 100, bueno si está entre 70 y 85 y discreto si lo está entre 50 y 70.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Se debe tener en cuenta que dos fuentes pueden tener el mismo IRC y distinta
“Temperatura de color”. (Ver Temperatura de color) Por lo tanto es conveniente,
cuando se compare capacidad de reproducción cromática, buscar que las
lámparas tengan temperaturas de color aproximadas. Es obvio que, a igualdad de
IRC, un objeto rojo se verá más brillante bajo 2800 K que bajo 7500 K.
Temperatura de color
La temperatura de color se mide en “Grados Kelvin” (K) y es la referencia para
indicar el color de las fuentes luminosas (salvo aquellas que tengan de por sí un
color señalado).
Cuando un metal es calentado, pasa por una gama de colores que van desde el
rojo al azul, pasando por el rojo claro, naranja, amarillo, blanco y blanco azulado.
A los efectos de la temperatura de color, se habla de un “radiante teórico
perfecto”denominado “cuerpo negro”. El cero de la escala Kelvin equivale a -273
°C, lo que significa que exceden a la escala centígrada en 273 °C. Así por
ejemplo, una lámpara de 6500 K equivale al color que toma el “cuerpo negro”
cuando es calentado a una temperatura de 6500 - 273 = 6227 °C.
Las lámparas incandescentes tienen una temperatura de color comprendida entre
los 2700 y 3200 K. Las lámparas fluorescentes ofrecen una amplia gama de
temperaturas de color entre los 2700 K y los 6500 K.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Representación matemática del color
Los colores del espectro visible y sus infinitas posibilidades de mezcla, pueden ser
representadas matemáticamente. Existen varios sistemas de representación entre
los que se cuentan el “Sistema Munsell”, el “CIE L*b*a”, el “CIE L*c*h”, el “CIE Y,
x, z”, etc . De todos ellos, el más popular es el Sistema “Y, x, y” ó más conocido
como “Triángulo Cromático CIE” (CIE - Commission Internationale de L’eclairage).
En el Triángulo Cromático CIE, todos los colores están ordenados respecto de tres
coordenadas cromáticas x, y, z, cumpliéndose la igualdad x + y + z = 1. Esto
significa que a partir de dos coordenadas cualesquiera puede definirse un color ó
mezcla de colores.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
El triángulo presenta una forma curva en su parte superior que es el lugar
geométrico de las radiaciones monocromáticas, cerrandose en su parte inferior por
una linea recta llamada “linea de los púrpura”. La zona central del triángulo es
acromática y sobre ella se pueden localizar los colores de todas las fuentes de luz
artificial. El centro de esta zona es un punto blanco donde los valores de las
coordenadas x, y, z son iguales entre sí (0.333 cada una). Cuanto más alejado del
centro esté el punto buscado, más saturado será el color resultante.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Temperatura de color
Cuadro comparativo de la temperatura de color de distintas fuentes de Luz
(Kelvin)
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Contraste de colores
La combinación de los colores tiene aplicaciones no solo en el campo de la
decoración ó el arte. Una adecuada combinación de ellos suele ser un recurso
sumamente importante en el terreno de la señalización. Muchas de ellas son ya
familiares en materia de seguridad, como lo es el caso del color negro sobre el
amarillo en las barreras ferroviarias, etc.
A continuación se presentan algunas de las combinaciones de colores más
efectivas.
Reflectancias
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
El poder reflectante de las superficies que rodean a un local, juega un papel muy
importante en el resultado final del proyecto de iluminación. Las luminarias emiten
la luz de diversas formas según su tipo de distribución luminosa. Cuando esta
emisión luminosa es del tipo abierta, habrá una gran parte de la luz que llegará en
forma directa al plano de trabajo, es decir sin obstáculos; pero habrá también una
porción importante de esa emisión que caerá sobre las paredes. Esa parte de la
luz emitida por la luminaria, podrá ser reflejada y aprovechada en mayor ó menor
grado según el poder reflectante de esas superficies.
Magnitudes y unidades
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Flujo luminoso:
Definición: cantidad de luz emitida por una fuente de luz en todas las direcciones.
Símbolo: F ( Phi )
Unidad de medida: LUMEN ( Lm )
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Magnitudes y unidades
Iluminación ó Iluminancia:
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Magnitudes y unidades
Luminancia:
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Niveles de Iluminación
Algunos niveles de iluminación sugeridos para actividades diversas
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Niveles de Iluminación
Aspectos Psicológicos:
Es interesante observar la influencia psicológica de la temperatura de color sobre
los niveles de iluminación. Está comprobado que, a mayor temperatura de color
mayor debe ser la iluminancia. Así por ejemplo, para lámparas de temperatura de
color del orden de los 6000 K serán aconsejables iluminancias de más de 500 Lux,
en tanto que para lámparas de 3000 K serán aceptables los niveles de iluminación
comprendidos entre los 150 y los 500 Lux.
En el gráfico puede apreciarse fácilmente que con una iluminancia de 500 Lux
resulta posible utilizar casi toda la gama de lámparas fluorescentes, ya sean
lineales ó compactas.
Las lámparas
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Lámparas Incandescentes:
La lámpara incandescente es la lámpara de la iluminación del hogar, del
alumbrado decorativo. Es la fuente de luz artificial más próxima a la luz del día. Es
el símbolo de la “luz” en la vidad del hombre.
Para clasificarlas de alguna manera, se las puede separar en dos grandes grupos:
lámparas incandescentes tradicionales y lámparas incandescentes halógenas.
En ambos grupos se las podrá hallar para funcionamiento en baja tensión (6, 12,
24, 48, 110 volts, etc) y para 220 volts.
Las incandescentes tradicionales se fabrican en los tipo Standard clara y opalina,
con filamento reforzado, decorativas, reflectoras de vidrio soplado, reflectoras de
vidrio prensado PAR 38 y 56, etc. Este tipo de lámparas tiene una vida útil del
orden de las 1000 horas. Las halógenas se obtienen en los tipos Bi-pin, dicroica,
super-spot con pantalla metálica, lineal de doble contacto, reflectoras de vidrio
prensado PAR 16, 20, 30 y 38, todas ellas del grupo del iodo como componente
halógeno. La vida útil de este grupo oscila entre las 2000 y 4000 horas según el
tipo.
También existe una nueva versión de pequeñas lámparas en baja tensión tipo bi-
pin y de doble contacto (tipo “fusible”) con gas Xenón como halógeno. Estas
lámparas introducen la novedad de poseer una muy larga vida ( 10000 a 20000
hs).
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Lámparas Fluorescentes:
El tubo fluorescente es sin duda la lámpara versátil por excelencia. Une a su gran
eficiencia ( en la actualidad alcanza a los 104 Lm/W ) una larga vida útil, superior a
las 8000 horas y una amplia gama de temperaturas de color con óptima
reproducción cromática. Hoy es posible iluminar con lámparas fluorescentes
objetos que antes no se concebían iluminados más que por incandescentes, sin
que se aprecie el cambio.
La lámpara fluorescente se presenta en una amplísima gama de potencias y
tamaños.
Entre los tradicionales “tubos fluorescentes” lineales, se podrá optar por la linea
Standard T8 de 26 mm de diámetro ( las T12 de 38 mm de díametro ya tienden a
desparecer ) y reproducción cromática IRC 65, la linea Trifósforo con un IRC 85 y
la Trifósforo de Lujo con IRC 90, todas en potencias de 18 a 58W.
Actualmente se podrá optar también por la nueva linea de tubos T5 de 16 mm de
diámetro con las mismas calidades de reproducción cromática que los T8 y en
potencias de 14, 21, 28 y 35W y también de 24, 39, 54 y 80W.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
En materia de compactas, se las puede hallar de las más diversas formas y
potencias. Desde simples standard, simples largas, dobles, triples, dobles planas,
dobles y triples con rosca E27 y equipo incorporado ( ideales para el hogar ) hasta
circulares. Las potencias van desde 5W hasta 55W y el IRC es en general de 85,
salvo en las simples largas que tienen su versión “de lujo” con IRC 90.
Es la lámpara obligada en la iluminación de oficinas, industrias, supermercados,
etc. En lo que respecta a la iluminación de oficinas, la posibilidad que ofrecen las
compactas de diseñar liminarias cuadradas y redondas ha introducido un
importante avance en el campo arquitectónico de los cielorrasos, ya que permiten
romper con la tradicional “direccionalidad” a la que obligaba el tubo convencional.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
CAPITULO III
Las luminarias
Los espejos: tipos y características principales
La óptica de las luminarias es el elemento que define el tipo de emisión luminosa
que tendrá esta. Las ópticas tienen un componente básico que es el espejo o
reflector. Este será el encargado de “modelar” la distribución luminosa de cada
luminaria.
El material por excelencia para la construcción de los espejos es el aluminio en
sus versiones básicas de brillante ó semi-mate. El aluminio brillante pulido a
espejo, liso y anodizado, es el material indicado para todas aquellas ópticas en las
que la precisión en el direccionamiento de los haces de luz sea fundamental.
Cuando lo que se busca es que la luminaria tenga una emisión de luz del tipo
dispersora, el espejo que se utiliza generalmente es del mismo material pero
“gofrado” (efecto de martillado del aluminio).
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
La forma en que la luminaria distribuya la luz depende casi exclusivamente de la
conformación del espejo o reflector (a menos que exista algún otro elemento
complementario como por ejemplo vidrios tipo “fresnel”, espejos adicionales, etc. )
Los espejos pueden clasificarse por su forma en tres grandes grupos: circulares,
parabólicos y elípticos. Existen otras formas y también combinaciones entre
algunas de las anteriores (circular con parabólico, asimétricos, etc ). Sin duda los
más populares son los reflectores parabólicos, elípticos y asimétricos.
La curva de distribución luminosa
La lectura de la curva de distribución luminosa permitirá optar por la luminaria más
adecuada y lograr un proyecto más económico. Una luminaria de distribución
“ancha” y buen rendimiento permitirá un gran distanciamiento entre las mismas sin
sacrificar la uniformidad de la iluminación.
La curva de distrubución luminosa es el resultado de tomar medidas de intensidad
luminosa en diversos ángulos alrededor de una luminaria y transcribirlas en forma
gráfica, generalmente en coordenadas polares. La distancia de cualquier punto de
la curva al centro indica la intensidad luminosa de la fuente en esa dirección ( a
mayor distancia mayor intensidad ).
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Estas mediciones se efectúan en distintos planos verticales de la luminaria, ya que
la emisión de luz podrá diferir de uno a otro plano según el tipo de lámpara y de
difusor ( louver ).
Una vez conformada la curva de distribución luminosa, esta dará lugar a todo el
resto de la información fotométrica suministrada por el laboratorio de luminotecnia
encargado del estudio ( rendimiento de la luminaria, coeficiente de utilización,
gráfico de luminancias, curvas isolux, etc. )
Mediante la curva de distribución luminosa podrá calcularse la iluminancia que
produce una luminaria en un punto de una superficie. En efecto, si el tamaño de la
fuente luminosa y la distancia a la superficie permiten aplicar la “ley de la inversa
de los cuadrados”, podrá calcularse dicha iluminancia tomando de la curva la
intensidad luminosa en el ángulo correspondiente a la dirección de enfoque
aplicando la “ley del coseno”.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
La lectura de la curva de distribución luminosa permitirá optar por la luminaria más
adecuada y lograr un proyecto más económico. Una luminaria de distribución
“ancha” y buen rendimiento permitirá un gran distanciamiento entre las mismas sin
sacrificar la uniformidad de la iluminación.
El rendimiento de la luminaria:
Del estudio fotométrico que realiza el laboratorio de luminotecnia sobre una
luminaria, una de las informaciones de mayor utilidad para el luminotécnico la
constituye el conocimiento del “Rendimiento de la luminaria”.
El rendimento de la luminaria se expresa en porcentajes y se representa mediante
la letra h (eta) del alfabeto griego. Así por ejemplo, una luminaria que posée un
rendimiento del 60% se expresa h = 60%. El rendimiento de la luminaria permite
conocer que cantidad del flujo luminoso de la fuente de luz utilizada es “devuelto”
por dicha luminaria. Este dato es de vital importancia en el aspecto económico de
una instalación de iluminación.
Existen luminarias que, por sus características constructivas como así también por
los elementos reflectantes y difusores que la componen (espejos, pantallas,
louvers, acrílicos, vidrios, etc ) entregan un porcentaje muy pequeño del total del
flujo luminoso emitido por la fuente. Esto da como resultado una instalación
antieconómica tanto en la inversión inicial como en el costo del consumo eléctrico,
por cuanto se deberán colocar demasiadas luminarias para obtener el nivel de
iluminación deseado.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
Si bien el conocimiento del rendimiento de una luminaria es un elemento
sumamente importante en el momento de la elección, este dato en forma aislada
no es suficiente.
Para tener una idea cabal del comportamiento que una luminaria tendrá en un
determinado proyecto, el dato del rendimiento deberá estar acompañado de la
correspondiente “curva de distribución luminosa” ya que no es suficiente conocer
el porcentaje de eficiencia del artefacto sino también de que forma “distribuye” la
luz. Existen infinitas posibilidades de encontrar luminarias del mismo rendimiento
pero con fotometrías totalmente distintas.
Podrá haber un modelo que posea un rendimiento de h = 60% de emisión
luminosa directa descendente y otro del mismo rendimiento pero de distribución
luminosa asimétrica indirecta.
La distribución luminosa:
La más importante de las funciones que cumple una luminaria es la de “modificar”
la distribución del flujo luminoso que emana de la fuente a la cual contiene. Así
podrá convertirse en un proyector, haciendo que la emisión sea fuertemente
concentrada, o en difusora, y apantallar las lámparas ocultándolas del ángulo de
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
visión para evitar el deslumbramiento. Por la forma en que las luminarias
distribuyen el flujo luminoso, se clasifican básicamente en seis grupos: directa,
semi-directa, general difusa, directa-indirecta, semi-indirecta e indirecta.
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“Diseño de un sistema Híbrido: con base en Led´s y Fibra óptica”
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FIBRA ÓPTICA - Fibra Óptica. Por José Isabel Parra Alvarado Secretario General de la
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LA FIBRA ÓPTICA: características, ventajas e inconvenientes
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CONCEPTOS BÁSICOS de la utilización de la fibra óptica
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