Archive for the ‘Iluminación’ Category


energia_foton_vs_long_onda

La radiación electromagnética consiste en fotones con diferente longitud de onda, por ende, diferente frecuencia y energía. Y bueno, en el espectro electromagnético encontramos de todas las intensidades desde muy leves como longitudes de onda de radio de onda larga hasta los rayos gamma de energía bastante alta. La ecuación que caracteriza todo esto es energia del fotón = (constante de planck * velocidad de la luz)/(longitud de onda). En la figura se observa una simulación de la energía del fotón en función de la longitud de onda. Se ha graficado en escala logarítmica para dar una mejor apreciación de su comportamiento.


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La radiación solar viaja en línea recta, pero los gases y partículas en la atmósfera pueden desviarla. Este proceso es conocido como dispersión. La dispersión ocurre cuando un fotón se encuentra con un obstáculo en su camino, el cual sólo hace que el fotón cambie la dirección de su recorrido, sin ser absorbido. La dispersión depende de la longitud de onda, en el sentido de que mientras más corta sea ésta, mayor será la dispersión. Moléculas de gas con tamaños relativamente pequeño comparadas con la longitud de onda causan que la radiación incidente se disperse en todas las direcciones, hacia adelante y hacia atrás, este fenómeno es conocido como dispersión de Rayleigh. Aerosoles cuyos tamaños son comparables o exceden a las longitudes de onda de la radiación incidente, hacen que ésta no se disperse en todas las direcciones de manera igual, sino que mayormente hacia adelante, fenómeno llamado dispersión de Mie.

El proceso de la dispersión explica por qué un área con sombra o un lugar sin luz solar está iluminada: ella recibe la radiación difusa, la cual parece venir desde toda la bóveda celeste.

Los gases de la atmósfera dispersan más efectivamente las longitudes de onda más cortas(violeta y azul) que las longitudes de onda más largas (naranja y rojo), lo que se aprecia en la siguiente figura:

dispersion_luz_solar_atmosfera

 

La dispersión de Rayleigh explica el color azul del cielo durante el día y los tonos rojizos del amanecer y atardecer. La dispersión de Rayleigh es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda λ, lo cual significa que la longitud de onda más corta de la luz azul se dispersará más que las longitudes de onda más largas de la luz amarilla y roja, lo cual da al cielo su apariencia azul. Por el contrario, cuando se observa el Sol directamente, lo que se aprecia son los colores que no fueron dispersados, siendo ellos los asociados a las longitudes de onda como las del amarillo y rojo. A su vez, cuando el Sol está cerca del horizonte, el rayo de luz debe recorrer un volumen de aire mucho mayor al que recorre cuando el Sol se encuentra lejos del horizonte, haciendo que casi toda la luz azul sea dispersada antes de llegar al observador. Es por eso que la luz reflejada por las nubes o la difundida por las capas brumosas hacia el observador aparece rojiza durante atardeceres y amaneceres.

En la siguiente figura se aprecia el comportamiento típico de la absorción provocada por la atmósfera.

comportamiento_tipico_absorcion_por_la_atmosfera


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Para crear este campo eléctrico en la estructura del dispositivo, se introduce en el semiconductor una cierta cantidad controlada de impurezas (llamados dopantes), es decir, átomos de otro elemento distinto al material de partida que presenta un exceso o un defecto de electrones en sus capas más externas respecto al material intrínseco (libre de impurezas).

Una impureza se considera donadora cuando el elemento utilizado tiene un electrón de valencia más que el material intrínseco (caso de dopantes como el P, As o Sb añadidos al Si). Un material semiconductor dopa con una impureza donadora se dice que es del tipo n.  Es decir, obsérvese que introducir impurezas aceptoras supone un incremento en la concentración de huecos en el material mientras que impurezas donadoras provocan un aumento en la concentración de electrones. Cuando el material extrínseco ha ganado electrones, se dice que es de tipo negativo o de tipo-n.

La impureza se considera aceptora cuando el dopante tiene un electrón de valencia menos que el semiconductor intrínseco (caso del B, Ga, In, o Al agregados al Si). Un material semiconductor dopa con una impureza donadora se dice que es del tipo p, porque ha aumentado la densidad de huecos.

Lo esencial del proceso de dopaje es que la presencia de estas impurezas en cantidad suficiente modifica notablemente la concentración de portadores en el semiconductor en un rango de temperaturas muy amplio, tal como muestra la figura, debido a que las impurezas introducidas se ionizan muy fácilmente a temperaturas relativamente bajas. El semiconductor así dopado se denomina extrínseco para indicar que su densidad de portadores está alterada respecto a su concentración inicial.

variacion_concentracion_electrones_por_impurezas


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Los diodos emisores de luz (LEDs) existen desde hace varias décadas, aunque hasta no hace mucho, su uso estaba limitado a usos específicos. Antes de 1990, sólo estaban disponibles los LEDs de color rojo, verde y amarillo, esto limitaba su utilidad. La invención de los LEDs azules y ultravioletas (UV) y el incremento del brillo del LED permitieron recientemente la generación de luz blanca. Desde 1990 se aceleró el desarrollo y comercialización de semiconductores emisores de luz.

Desde la invención del LED rojo en la década del 60, la potencia de la luz de este dispositivo se multiplicó por 20 cada 10 años, al mismo tiempo la disminución del costo de la luz LED (por lumen) fue de 10 veces, siguiendo la tendencia conocida como ley de Haitz (Steele 2007). En el caso de los nuevos LEDs blancos, la potencia del lumen (por dispositivo) se multiplicó por 6 entre 2002 y fines de 2006 mientras que el costo por lumen disminuyó 7 veces su valor. Entre 1995 y 2005 el mercado del LED blanco de alto brillo creció en un promedio de 42% anual (Steele 2007). Sin embargo, la tecnología aún está lejos de madurar con una penetración en el mercado limitada sólo para usos específicos.

Los LEDs de colores actualmente superan en calidad a las fuentes filtradas de luz incandescente por lo que comienzan a tener una mayor demanda comercial. Los LEDs generan una limitada amplitud de onda de luz, produciendo así directamente los colores deseados y consiguiendo eficiencias superiores que las tecnologías alternativas que dependen principalmente de luz blanca filtrada. Los LEDs que producen luz blanca aún deben esperar para lograr esa penetración en el mercado, debido a cuestiones de conversión. La luz no puede ser emitida directamente por un LED, debe ser generada por una conversión de fósforo de luz azul o UV, a partir de la mezcla de luz monocromática o por una combinación de las dos posibilidades. El uso de LEDs individuales que posean fósforos es la tecnología más generalizada. No obstante, esto presenta algunos grandes desafíos técnicos, especialmente en la creación de luz blanca cálida (similar a las incandescentes) ya que la eficiencia de los fósforos rojos queda por detrás de la de los disponibles para generar otros colores (Schubert y Kim 2005). Las eficiencias de la conversión de fósforo generalmente son bajas, esto reduce la eficiencia final de los productos. En la industria muchos creen que el criterio de mezclar luz terminará siendo dominante (brindando eficiencias de 200 lm/w – mucho más que una lámpara incandescente o fluorescente), aunque la falta de LEDs verdes de alta potencia actualmente limita la calidad del color blanco.


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Actualmente se utilizan diferentes tecnologías en iluminación. La más antigua, la iluminación incandescente, fue inventada originalmente a fines del 1800, y a excepción de las luces halógenas, el diseño de las lámparas prácticamente no ha cambiado desde 1930. La forma más ineficiente de iluminación eléctrica, la luz incandescente, posee una eficiencia de conversión eléctrica energía-luz de sólo el 5%. A pesar de esto, son las que más se utilizan, principalmente en el sector residencial. Consumen el 30% de la energía eléctrica usada para iluminación mientras que sólo producen un 7% de luz efectiva. Hoy se reconoce que es necesario ponerle un final al uso de las lámparas incandescentes. Los grandes fabricantes de lámparas disminuyeron su producción (BBC 2007) y los gobiernos de diferentes países ya presentaron iniciativas para retirar las lámparas de la venta (Coghlan 2007)

Las lámparas fluorescentes, la alternativa actual de iluminación de interior, representan el 64% de la iluminación generada eléctricamente y representa el 45% del uso de energía eléctrica para iluminación. La eficiencia de la iluminación fluorescente varía según el tipo de lámpara, aunque generalmente es de 5 y 8 veces mayor a las incandescentes. Todas las lámparasfluorescentes contienen mercurio, aunque en cantidades cada vez menores. La mayoría de las lámparas fluorescentes emiten luz ultravioleta debido a su modo que funcionamiento.

El otro grupo principal de tecnologías en iluminación, las lámparas de descarga, se utilizan en espacios grandes incluyendo exteriores, grandes salas y centros comerciales. Las lámparas de descarga proveen el 29% de la luz entregada y representan el 25% de la energía eléctrica utilizada en iluminación. La mayoría de estos tipos de lámparas, sólo producen una limitada variedad de colores (por ejemplo las lámparas de sodio producen el color amarillo). Esto las limita a aplicaciones en donde el color no es importante. Algunas lámparas son muy eficientes (mucho más que las lámparas fluorescentes) y brindan la cantidad de luz necesaria para aplicaciones como el alumbrado público. Aún así, todavía se pueden mejorar. Las lámparas de vapor de mercurio, a pesar de ser una vieja tecnología ineficiente que depende de un metal tóxico, son muy utilizadas actualmente. Las lámparas de descarga producen luz no-direccional, haciendo necesarios el uso de reflectores para garantizar que la luz sea dirigida a la dirección deseada. Debido al pobre diseño de luminarias para exterior (incluyendo el de los reflectores), mucha luz se desperdicia resultando en una reducción real de la eficiencia, y en contaminación lumínica.

Esta claro que, a pesar de que existe una variedad de tecnologías en iluminación actualmente en uso, ninguna es perfecta. Muchas opciones tienen todavía una eficiencia baja, principalmente en iluminación residencial e iluminación especializada. Muchos productos eficientes deben resignar otros factores como la calidad del color y su toxicidad. Evidentemente existe la necesidad de otras respuestas a la creciente demanda de luz artificial, como es el caso de los LEDs.


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