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domingo, octubre 17, 2021

Iluminación de estado sólido para interiores/exteriores (2): ¿Luz blanca fría o cálida?

 

 

Por: Oracio Barbosa

Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia

En la entrega anterior se comentó el término de “eficacia” para las fuentes de iluminación.  Este concepto establece que entre mayor sea el flujo luminoso y menor sea el consumo de energía de una fuente luminosa mejor y más eficiente es la iluminación; el valor máximo de eficacia es de 240 lm/W. Las primeras fuentes de iluminación tenían una eficacia menor a 10 lm/W (hablamos de antorchas, velas, …), pero fue hasta el S XIX cuando se produjo un cambio con la lámpara incandescente de Edison, el foco. La máxima eficacia se logró con las lámparas fluorescentes con 80 lm/W la cual fue fácilmente superada con el desarrollo del sistema de iluminación de estado sólido, los LEDs (light emitting diode), a finales del S XX.  Esta eficacia es alrededor de 200 lm/W y en la actualidad la iluminación LED se emplea en autos, en equipos domésticos y ha desplazado/eliminado la iluminación mediante focos. Países como Inglaterra dejaron de vender focos incandescentes de 150 W desde el año de 2007 hasta llegar en 2011 cuando ningún foco se podía comprar en los comercios; por su parte Japón dejó de producir focos en el año de 2012. Con el uso de LEDs estaremos contribuyendo a disminuir las emisiones de CO2 y con ello reducir el efecto invernadero, como veremos en la siguiente entrega.

El concepto de eficacia involucra “flujo luminoso”, el cual puede ser de algún color específico o bien de luz blanca. Sin embargo, para cuestiones de iluminación es claro que se requiere luz blanca. Recordemos que la luz blanca la define un conjunto de ondas electromagnéticas que está en el rango de 400-700 nanómetros; en ese rango se encuentran comprendidos los colores del arco-iris siendo los extremos para el violeta y rojo respectivamente. Un buen flujo luminoso para iluminación sería aquel que emita luz en ese rango y con intensidad uniforme. El sol es el mejor sistema de iluminación que nos proporciona ese flujo luminoso; de hecho, nuestro sistema de visión está definido a partir de ese flujo luminoso, pero no tiene una intensidad uniforme como veremos posteriormente.  Sin embargo, cualquier sistema de iluminación será mejor si es lo más cercano a la iluminación de día y ese es el reto de cualquier sistema de iluminación artificial. 

Para diferenciar o contrastar los sistemas de iluminación con respecto de la luz del sol, la figura 1 muestra la intensidad de la luz emitida (eje vertical) y las longitudes de onda que emiten (eje horizontal) tres fuentes luminosas; estas figuras técnicamente se conocen como “espectros de emisión”. Con el espectro de emisión del sol podemos ver que es la región del verde (sobre los 555 nm) en donde el sol emite con mayor intensidad y por lo cual nuestro sistema de visión es más sensible a esa región (colores verdosos). Por el contrario, el espectro de emisión del foco incandescente emite con mayor intensidad en la región de amarillo-rojo y el lector puede contrastar este espectro contra el del sol. La lámpara fluorescente emite a mayor intensidad en regiones específicas identificadas con toda claridad en la figura 1 (alrededor de 500, 575, 600 y en 700 nm mayormente), pero el efecto es una iluminación blanquecina que contrasta con la mostrada en la figura 1 para un foco y con la emisión del sol.        

Ya se ha señalado que la iluminación por LED tiene una eficacia del doble que las lámparas fluorescentes, pero ¿cómo es su espectro de emisión? La figura 2 muestra los dos espectros de emisión de la luz LED que se encuentran comercialmente en el mercado, uno de luz fría y otro de luz cálida. La razón de estos dos nombres radica en que el primero emite con mayor intensidad en la región del azul, mientras que el segundo mayormente emite en el verde-amarillo-rojo como muestra la figura 2. Tanto el LED frío como el cálido emiten luz blanca, pero es la intensidad en algunas longitudes de onda que las hace diferentes; lo mismo con el foco incandescente y la lámpara fluorescente.  Todos estos sistemas de iluminación son de luz blanca, pero al final, como ya vimos en las figuras, ¡emiten luz con diferentes intensidades en regiones de longitudes de onda diferente y de ahí que no iluminan de igual manera a como lo hace el sol!

Una fuente de luz blanca puede también identificarse mediante su temperatura. Ya se señaló que una fuente de luz blanca emite ondas electromagnéticas en el rango de 400-700nanómetros. Ese rango se cubre si la fuente de luz tiene una temperatura entre 6,000 y 3,000 grados kelvin (K).  Una fuente luminosa de luz blanca sería fría cuando emite con una temperatura superior a 5,000 K y será cálida si lo hace entre 3,600 y 2,700 grados K. Esto significa que a 5,000 K predomina la emisión de ondas para los colores azul-violeta y en el rango 3,600-2,700 K las ondas son amarillentas-rojizas. Un cerillo emite a una temperatura de 1,700 K; un foco en 3,200 K aproximadamente; un flash de cámaras profesionales es la fuente luminosa que llega a los 6,000 K; mientras que la luz de día supera los 6,500 K.

Figura 1. De derecha a izquierda se presentan los espectros de emisión del sol, de un foco con filamento incandescente y el de una lámpara fluorescente. El eje vertical es la intensidad y el horizontal la longitud de onda en nanómetros.
Figura 2. Los espectros de emisión de dos lámparas de estado sólido, LEDs; en la izquierda un LED de iluminación blanco frío y el de la derecha cálido.
Columna del CIO
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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