ES1274209U - Luminaria led de interior emisora del espectro de la luz visible completo - Google Patents

Abstract

Luminaria LED de interior emisora del espectro de la luz visible completo, del tipo de unidades de iluminación para interiores constituidas por una placa PCB de diodos LEDs (1) montados sobre circuito impreso, alojada en una carcasa metálica (2) de fijación o sujeción al techo, con un driver o equipo de alimentación de corriente (3) de 230V con sistema electrónico de control y regulación en remoto incorporado, que permite ajustar la emisión lumínica de los diodos para obtener una emisión de luz blanca con un espectro que simule la emisión de la luz natural que hay en cada momento en el exterior, bien utilizando únicamente LEDs emisores de luz de color, o bien implementado la técnica de modulación de blanco, a partir de LEDs emisores de luz blanca cálida y LEDs emisores de luz blanca fría, caracterizada esta luminaria porque la placa de diodos LEDs lleva integrados, uniformemente o aleatoriamente distribuidos por su superficie, diodos específicos (4) de azules, morados y blancos, formados por los correspondientes chips semiconductores de InGaN Nitruro de Indio Galio, GaN Nitruro de galio y Ce:YAG Granate-aluminio-itrio dopado de cerio, emisores de luz entre los 380 nm y los 420-430 nm del espectro, correspondiente al violeta (VL) y al azul más intenso, y porque el driver o equipo de alimentación (3) dispone de varios canales con una alimentación de 24Vdc para control y regulación de los diodos de azules, morados y blancos, mediante señales eléctricas de excitación sincronizada de los correspondientes chips semiconductores, haciendo posible regular en función del horario solar la proporción de luz emitida entre dicha franja de longitud de onda.

Description

DESCRIPCIÓN

Luminaria LED de interior emisora del espectro de la luz visible completo

El objeto de la preste invención es una luminaria LED para interiores que es emisora del espectro de la luz visible completo, al incorporar luz correspondiente al violeta (VL) y al azul más intenso, permitiendo además regular la proporción de esta parte de la luz en función del horario solar, incrementándola en las primeras horas del día, y reduciéndola al pasar del mediodía hacia la tarde.

Se trata de una luminaria constituida por una placa PCB de diodos LEDs montados sobre circuito impreso, instalada en una carcasa metálica de sujeción y fijación al techo, con un equipo de alimentación de 230V de control remoto, en la que la placa PCB incorpora diodos de azules, morados y blancos, formados por los correspondientes chips semiconductores, que proporcionan luz entre los 380 nm y los 420-430 nm, consiguiendo cubrir todo el rango del visible para humanos, y en la que el equipo de control dispone de varios canales con una alimentación prevista de 24Vdc a los diodos adicionados, que hace posible regular en función del horario solar la proporción de luz entre dicha franja de longitud de onda.

La utilidad de este dispositivo, especialmente orientado a centros de enseñanza, lugares de trabajo y viviendas con poca iluminación natural, es que proporciona una fuente de iluminación mejorada, cuya distribución espectral es muy similar a la del sol, para intentar minimizar las alteraciones en los biorritmos de las personas al recibir una cantidad de luz natural insuficiente, lo que podría suponer ventajas para la salud, tales como, por ejemplo una posible reducción de la miopía infantil.

CAMPO DE APLICACION.-

El campo de aplicación de la invención es el de la iluminación circadiana para interiores mediante dispositivos LEDs.

ESTADO DE LA TÉCNICA.-

Una luz habitual en oficias de trabajo o centros de educación es la mostrada en diagrama de distribución espectral de intensidad lumínica de la figura 1 del final de la presente memoria, para una temperatura de color de 4000 K, correspondiente a un blanco neutro, en comparación con una luz natural diurna de 6500 K.

En este gráfico se observa que las luminarias emisoras de luz blanca normalmente empiezan a emitir una cantidad significativa de luz a partir de 420-430 nm, con un pico de emisión en el azul, alrededor de 460 nm, y otro pico en el amarillo, alrededor de 550 nm. Teniendo en cuanta que los 380 nm es la longitud de onda a partir de la cual es visible la luz por los seres humanos, tal y como muestra el mismo grafico para luz del día, resulta que las luminarias normalmente utilizadas en dichos espacios de interior tiene una emisión parcial y discontinua de la luz visible.

Este es un problema hasta ahora no resuelto en el referido campo de aplicación de la presente invención, donde siendo conocidas y de desarrollo creciente las unidades de iluminación para interiores formadas por varios diodos LEDs cuya emisión lumínica es ajustable para obtener una fuente de iluminación circadiana, es decir, una emisión de luz blanca con un espectro y temperatura de color que simule la luz natural que hay en cada momento en el exterior, los diferentes blancos de luz conseguidos por tales dispositivos de iluminación no incorporan luz entre los 380 nm y los 420-430 nm del espectro, correspondiente al violeta (VL) y al azul más intenso.

Son numerosos los fabricantes que llevan años intentando simular la luz del sol en interiores de dicha manera, utilizando lámparas a base de una pluralidad de LEDs cuya emisión lumínica es regulada por un controlador para obtener diferentes emisiones de luz blanca con un espectro y temperatura de color variable en función de la hora del día, incluso de la estación del año. Ejemplos recientes los tenemos con las propuestas de fabricantes de gran reputación como Signify, con los módulos LEDs “Signify Melanopic Light” , y Bridgelux, con la familia de dispositivos “Thrive”;

Signify, conocida antiguamente como Philips, es una de las empresas líder en el sector en sistemas de iluminación y conectividad. Su última publicación “Taking quality of light to the next level” plantea cómo intentan resolver que la exposición de los seres humanos a luces en interiores sea lo más parecida a la luz solar, desarrollado en respuesta de ello el módulo LED “Signify Melanopic Light” , que simulando los efectos biológicos sobre el ritmo circadiano de la luz natural proporciona una luz más confortable y de mayor calidad. El diagrama de distribución espectral de luz emitida con este módulo se reproduce en la figura 2.

Bridgelux, otro fabricante de reconocida fama mundial, propone su familia de luminarias “Thrive” como espectro de luz centrado en humanos intentando mejorar el bienestar de las personas, con unos resultados espectrales de intensidad lumínica para tres temperaturas de calor (3000K, 4000K y 5000K) proporcionados por tres diferentes tonalidades de blanco de las luminarias, entre blanco cálido y blanco neutro, mostrado en el diagrama de la figura 3.

Hay coincidencia que los aspectos fundamentales a controlar en estas dos propuestas de iluminación circadiana como ejemplos de los desarrollos recientes son:

- Intensidad de la luz (Lux en superficie de trabajo)

- Ciclo de luz y oscuridad y su transición (día/noche)

- Espectro de la luz

Pero ambas evidencian en los indicados gráficos que carecen de la parte de luz del espectro comprendida entre 380 y 420 nm, colores violetas y azules intensos que es necesario incorporar en la fuente de luz.

A parte de los comentados desarrollos, cabe destacar también, en el ámbito de la tecnología patentada, dos documentos de patentes sobre dispositivos LEDs que se aproximan mucho en diseño y funcionamiento a la luminaria de la presente invención, pero que siguen sin atajar la carencia que ésta resuelve.

Una es la patente europea de Delos Living LLC con número de publicación de la traducción en España ES2540548-T3, que tiene por objeto un sistema y método de control de aparatos de iluminación LED para coordinar planificaciones precisas de brillo y color para que la luz proporcionada se asimile bastante a la luz solar en un día nublado en característica espectrales. La invención trata de cubrir la necesidad de disponer de aparatos de iluminación en espacios interiores, para paliar los trastornos del ritmo circadiano entre otras aplicaciones, que generen luz blanca de espectro extendido de temperaturas de color de 1800 K a 6500 K, en los que el brillo y el color cambian autónoma y dinámicamente con el tiempo mediante combinaciones de LED blancos y de LED de color, utilizando para ello valores de calibración de salidas de sensor a temperaturas de color específicas, y un algoritmo de coincidencia de color para el control de un bucle de retroalimentación. Con este sistema y método, datos simples introducidos se traducen en señales apropiadas para el control de un dispositivo de iluminación de múltiples canales. Estos datos introducidos, bien manualmente o partir de sensores, pueden comprender el nivel de atenuación, hora del día, zona horaria, ubicación geográfica, respuesta circadiana deseada, ángulo del sol, y también el flujo de la luz de color y, más preferiblemente, el flujo de luz azul (específicamente a 464 nm).

Sin embargo, según se comprueba en el gráfico de la figura 6 del fascículo de patente con el indicado número de publicación, que relaciona el espectro de excitación con el flujo de emisión de luz, la luminaria basada en dicho sistema y método responde al tipo de luminarias emisoras de luz blanca de las soluciones de Signify y Bridgelux, con una emisión parcial y discontinua de la luz visible (un pico de emisión en el azul y otro en el amarillo), careciendo de la parte del espectro de luz comprendida entre 380 y 420 nm.

El otro documento de patente reseñable corresponde al modelo de utilidad ES1257950-U de Simón S.A.U., depositado en enero de 2019, concerniente a una luminaria configurada para emitir luz con una distribución espectral de energía lumínica continua en el espectro visible, ajustable para conseguir la distribución espectral deseada mediante la compensación de uno o más de sus componentes espectrales, pudiendo ventajosamente funcionar como una luminaria biodinámica, capaz de simular la luz natural irradiada durante las horas de sol en espacios interiores.

Esta luminaria de Simón ofrece una alternativa a las luminarias existentes del mismo tipo, que permite obtener una emisión de luz de mejores prestaciones, así como con un mayor y mejor control de la distribución espectral de energía lumínica y temperatura de color deseados. Consiste básicamente en una unidad de iluminación formada por una pluralidad de LEDs, alojada en el interior de una carcasa con un sistema de alimentación, que incluyen LEDs emisores de luz blanca, configurados para, en conjunto, proporcionar una emisión de luz blanca con una distribución espectral de energía lumínica continua en el espectro visible y no uniforme, y LEDs emisores de luz de color saturado parcial o totalmente, estando el sistema de alimentación configurado para proporcionar señales eléctricas de excitación a unos terminales de dichos LEDs emisores de luz blanca y de luz de color saturado, con la finalidad de que la emisión de luz de color saturado parcial o totalmente con una longitud de onda determinada compense por lo menos una componente espectral de energía lumínica continua en el espectro visible y no uniforme, de manera que la luz emitida por la unidad de iluminación tenga por lo menos dicha componente espectral compensada. El sistema de alimentación se encuentra asociado operativamente a un sistema de control (comprendido por la luminaria o externo a la misma) encargado de calcular, determinar y generar las señales eléctricas adecuadas para excitar a los diferentes LEDs y conseguir la unidad de iluminación emita la luz requerida en cada momento.

Pero tal y como queda reflejado en el diagrama de distribución espectral de energía lumínica emitida, mostrado en la figura 9 del fascículo del modelo de utilidad, al igual que en el caso anterior, la luminaria no emite luz en la parte del espectro comprendida entre 380 y 420 nm, de colores violetas y morados.

La conclusión de lo que antecede es que una luminaria constituida por una placa de diodos LEDs, instalada en una carcasa metálica de sujeción con un equipo de alimentación de control y regulación en remoto, que permita ajustar la emisión lumínica de los diodos para obtener una emisión de luz blanca con un espectro que simule la emisión de la luz natural, bien utilizando únicamente LEDs emisores de luz de color, o bien implementado la técnica de modulación de blanco, a partir de LEDs emisores de luz blanca cálida y LEDs emisores de luz blanca fría, es algo ya existente y conocido, pero no así el ingenio de incluir entre dicha pluralidad de diodos componentes de la placa, chips de semiconductores apropiados para proporcionan luz entre los 380 nm y los 420-430 nm, y completar el espectro del visible con los colores violetas y azules intensos propios de la luz natural, así como la adaptación del diseño del equipo de control con varios canales específicos para la excitación de dichos chips de manera sincronizada con el horario solar.

Por consiguiente, en el señalado aspecto técnico se considera que la luminaria para interiores propuesta es nueva, al aportar dicha parte de la luz visible que no emiten las luminarias convencionales y que tampoco llega de la luz del sol que entra en los espacios interiores a través de los cristales al ser absorbida por los mismos, y dado que, en definitiva, proporciona una fuente de iluminación natural mejorada, tiene la actividad inventiva necesaria para ser patentada como modelo de utilidad.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN.-

La luminaria LED de interior preconizada se basa en una placa PCB de diodos LEDs montados sobre circuito impreso, preferentemente una placa de LED comercial de 600 x 600 mm, alojada en una carcasa metálica, de acero con acabado de poliéster por ejemplo, donde queda perimetralmente instalada y que cierra el sistema en su parte trasera, que puede ser fijada al techo o a un falso techo por montaje empotrado, o quedar sujeta al mismo mediante un sistema de suspensión por cables de acero; y en un driver o equipo de alimentación de corriente a la placa de 230V convenientemente alojado en la carcasa, que suministra la intensidad y voltaje necesario para el funcionamiento de la placa, provisto de un sistema electrónico de control de la conectividad y regulación en remoto, que en los casos de las placas PCB de LEDs para iluminación circadiana actualmente en funcionamiento, permite ajustar la emisión lumínica de los diodos para obtener una emisión de luz blanca con un espectro que simule la emisión de la luz natural que hay en cada momento en el exterior, bien utilizando únicamente LEDs emisores de luz de color, o bien implementado la técnica de modulación de blanco, a partir de LEDs emisores de luz blanca cálida y LEDs emisores de luz blanca fría.

Lo que es esencialmente de invención en esta luminaria es la composición de diodos LEDS de la placa PCB que posibilitan la emisión del espectro de la luz visible completo, y el equipo de alimentación y sistema control adaptados a esta nueva composición de diodos para regular la proporción del nuevo aporte de luz en función del momento.

La placa PCB presenta la singularidad de llevar integrados entra la pluralidad de diodos LEDs que la componente, uniformemente o aleatoriamente distribuidos por su superficie, diodos específicos de azules, morados y blancos, formados por los correspondientes chips semiconductores de InGaN Nitruro de Indio Galio, GaN Nitruro de galio y Ce:YAG Granatealuminio-itrio dopado de cerio, que son actualmente los materiales que emiten luz visible en el rango de los 380 nm a los 420-430 nm de longitud de onda del espectro, correspondiente al violeta (VL) y al azul más intenso, mientras que el driver o equipo de alimentación (3) dispone de varios canales con una alimentación de 24Vdc para control y regulación de indicados diodos de azules, morados y blancos, mediante señales eléctricas de excitación sincronizada a unos terminales de los correspondientes chips emisores de luz, haciendo posible regular en función del horario solar la proporción de luz emitida entre dicha franja de longitud de onda.

El sistema de control del driver o equipo de alimentación, encargado de generar las señales eléctricas adecuadas para excitar a los diferentes LEDs, permitirá de manera remota, mediante un mando a distancia, panel de instrucciones o similar, la gestión de la iluminación: control de luminosidad (flujo de la luminaria variable) así como del espectro, parámetro fundamental susceptible de cambio en los distintos momentos del día y de la estación del año. Con una alimentación prevista de 24Vdc a los diodos, el driver dispone de varios canales de control específicos a los nuevos diodos que es lo que hará posible el control de azules, morados y blanco en general.

Adicionalmente la luminaria dispone de un panel difusor de policarbonato, para generar uniformidad en la emisión de la luz y conseguir una distribución de luz homogénea en el ambiente, y un panel difusor de plexiglás o similar, que es un componente que genera confort visual, mejorando el índice de Deslumbramiento Unificado (UGR), a un valor recomendado para confort visual de UGR<19.

Estos paneles complementarios van integrados en la propia carcasa metálica de sujeción del sistema, el difusor de policarbonato por debajo de la placa de diodos LEDs y superpuesta a ésta, y por debajo, el difusor de plexiglás.

Como cualquier luminaria de estas características el objetivo de la propuesta es la iluminación de espacios interiores con niveles de luz adecuados en cada momento del día con alto confort visual, pero con la utilidad práctica añadida de que al incluir la parte del espectro visible entre los 380 nm y los 420-430 nm, conocida como violeta (VL) y azul más intenso, se recibirá luz mucho más parecida a la luz natural del sol. Además, la luminaria variará la proporción de la luz en su parte del VL y el azul siendo mayor la proporción de los mismos en las primeras horas del día y reduciéndose al pasar del mediodía hacia la tarde.

La intención del invento es precisamente esa; la de desarrollar una fuente de iluminación interior cuya distribución espectral se parezca lo máximo posible a la del sol en cada momento del día y que altere lo menos posible los bioritmos de las personas al no recibir luz natural que es para la que están diseñadas biológicamente.

Esta ventaja implica un beneficio para la salud ocular de los niños de acuerdo con las recientes investigaciones científicas publicadas, que afirman que la ausencia del VL y el azul de longitud de onda más baja en la iluminación interior puede dar lugar a una menor secreción de dopamina en la retina y ser la causa del aumento imparable de la miopía infantil, que es una enfermedad que afecta actualmente entre el 80-90 % de la población infantil de países como Corea del Sur, China, Singapur y Taiwan. Además, la recepción durante la mañana de una proporción de luz mucho más parecida a la distribución espectral solar que la de las luminarias convencionales, podría ayudar al reseteo circadiano y gracias a ello poder tener actividad plena durante el día y contribuir a un mejor descanso nocturno.

Si lo que afirman estas recientes investigaciones acerca de la influencia de la ausencia de la luz VL en el incremento de la miopía infantil se confirma, este invento podría ayudar a disminuir un problema importante de salud que hay en todos los países del mundo.

Es especialmente interesante su uso en centros de enseñanza y hospitales. Se podrá recomendar también en puestos de trabajo (edificios de oficinas) y en viviendas.

DIBUJOS Y DIAGRAMAS.-

En el apartado de figuras del final de la presente memoria de solicitud de modelo de utilidad se muestran los diagramas espectrales de luz visible de los dispositivos de iluminación LED frente a los que la luminaria propuesta introduce la ventaja de incorporar la luz entre los 380 nm y los 420-430 nm, así como dibujos de los componentes estructurales de esta nueva luminaria y el gráfico de distribución fotométrica resultante.

En concreto, la figura 1 muestra el diagrama de distribución espectral de intensidad lumínica de una luminaria convencional utilizada en colegios y centros de trabajo para emisión de una luz blanca neutra simuladora de la luz natural, y que ha sido comentada en el apartado estado de la técnica.

La figura 2 muestra el diagrama de espectro de luz producida con el módulo LED para iluminación circadiana de la empresa Signify.

Las figura 3 muestra el diagrama de espectro de luz de la familia de luminarias “Thrive” de la empresa Bridgelux, para las tres temperaturas de calor proporcionadas.

La figura 4 ya es relativa a la luminaria de invención, con un explosionado de sus cinco componentes: la placa PCB de LEDs, en la que se destacan los diodos integrados, la carcasa de alojamiento y sujeción, el equipo de alimentación, el difusor de policarbonato, y el difusor de plexiglás.

La figura 5 muestra un plano 2D con vistas en alzado y planta de dicha luminaria

La figura 6 es un render de la luminaria en despiece de componentes.

Por último, el gráfico de la figura 7 es la distribución fotométrica de la luminaria.

FORMA DE REALIZACIÓN.-

En cuanto a la parte constructiva, tal y como se observa en el dibujo de componentes de la figura 4, y en el plano de planta y alzado de la figura 5, la nueva luminaria se compone de una placa PCB de LEDs (1) de 600 x 600 mm que lleva integrados entre la pluralidad de diodos de este tipo de placas comerciales, diodos específicos (2) de azules, morados y blancos, conectada a un Driver o equipo de alimentación de 230V (3) con canales de 24Vdc para la excitación a voluntad de dichos diodos que son emisores de luz entre los 380 nm y 420-430 nm; equipo de alimentación que está provisto de un sistema electrónico de control de la conectividad en remoto, mediante un mando a distancia por ejemplo o una aplicación específica en dispositivo móvil. Por debajo de la placa LED se sitúa el panel difusor de policarbonato (5), y por debajo de éste, el panel difusor de plexiglás (6) o material similar generador de confort visual.

Tanto el equipo de alimentación como la placa LED y los paneles difusores van alojados en el interior de una carcasa metálica (4) a modo de cerco, de acero con acabado de poliéster o acero lacado en la tapa posterior con pintura epoxy. La placa y los paneles van superpuestos y sujetos por el borde perimetral del panel inferior a unos labios en los perfiles laterales de la carcasa, y el Driver va colocado en la parte posterior. Esta carcasa otorga al sistema la protección necesaria.

Se ha elegido una placa de LED y cerco perimetral de carcasa de 600 x 600 mm, por ser un tamaño que hace muy sencilla la instalación de la luminaria en sistemas de techos técnicos, que vienen provistos de la modulación necesaria para la instalación y sustitución de placas de fibra natural o metálicas. De esta manera se tienen techos registrables que permiten una mejora notable de la acústica, tanto en absorción como en atenuación de ruido. Dichas placas van montadas en una perfilaría, de distintas maneras de ensamblaje pero con muchos elementos comunes.

No obstante, la luminaria puede también quedar colgada al techo mediante un sistema de suspensión por cables de acero.

Las opciones de montaje de la luminaria en techos o falsos techos pueden ser en concreto:

- Empotrada, según el sistema de techo técnico descrito anteriormente.

- Empotrada en pladur, al ser posible la instalación de resortes laterales a tal fin;

- Superficial

- Suspendida a través de cables de acero o similar.

En definitiva, con el presente invento se dispone de una luminaria polivalente, fácilmente instalable en cualquier parte por su sencillez, tanto en sustitución de luminarias en funcionamiento de iluminación convencional (tubos de fluorescencia), como su prescripción en obra nueva.

Claims (2)

REIVINDICACIONES

1. Lum inaria LED de in te rio r em isora del espectro de la luz v is ib le com pleto, del tipo de unidades de iluminación para interiores constituidas por una placa PCB de diodos LEDs (1) montados sobre circuito impreso, alojada en una carcasa metálica (2) de fijación o sujeción al techo, con un driver o equipo de alimentación de corriente (3) de 230V con sistema electrónico de control y regulación en remoto incorporado, que permite ajustar la emisión lumínica de los diodos para obtener una emisión de luz blanca con un espectro que simule la emisión de la luz natural que hay en cada momento en el exterior, bien utilizando únicamente LEDs emisores de luz de color, o bien implementado la técnica de modulación de blanco, a partir de LEDs emisores de luz blanca cálida y LEDs emisores de luz blanca fría, caracterizada esta luminaria porque la placa de diodos LEDs lleva integrados, uniformemente o aleatoriamente distribuidos por su superficie, diodos específicos (4) de azules, morados y blancos, formados por los correspondientes chips semiconductores de InGaN Nitruro de Indio Galio, GaN Nitruro de galio y Ce:YAG Granate-aluminio-itrio dopado de cerio, emisores de luz entre los 380 nm y los 420-430 nm del espectro, correspondiente al violeta (VL) y al azul más intenso, y porque el driver o equipo de alimentación (3) dispone de varios canales con una alimentación de 24Vdc para control y regulación de los diodos de azules, morados y blancos, mediante señales eléctricas de excitación sincronizada de los correspondientes chips semiconductores, haciendo posible regular en función del horario solar la proporción de luz emitida entre dicha franja de longitud de onda.

2. Luminaria LED de interior emisora del espectro de la luz visible completo, según reivindicación 1, caracterizada porque la carcasa metálica de sujeción del sistema lleva integrados por debajo de la placa de diodos LEDs y superpuesta a ésta, un panel difusor de policarbonato (5) y, por debajo, un panel difusor de plexiglás (6).