Las luminarias led para iluminación vial requieren de ensayos de laboratorio para asegurar la calidad de los productos, dado que operan durante muchos años (quince a veinte) a la intemperie y bajo condiciones eléctricas, mecánicas y ambientales exigentes. Numerosos ensayos, tales como los fotométricos, de intensidades luminosas, flujo luminoso, emisión de flujo en el hemisferio superior, eficiencia luminosa, espectrales, colorimétricos de temperatura de color, índice de respuesta al color, de armónicos eléctricos, ciclado de encendido, estrés térmico, decaimiento de flujo luminoso y mecánicos como IP, IK, son exigidos en pliegos de licitaciones y compras de municipios. Un análisis de estos ensayos y sus complejos requerimientos se describe en el presente trabajo para destacar su importancia y trascendencia.

• Ensayos eléctricos:
  • Consumo de potencia
  • Factor de potencia
  • Armónicos de corriente (THD)
  • Compatibilidad electromagnética (EMC)
  • Protección contra sobretensiones
• Ensayos fotométricos:
  • Distribución de intensidades luminosas
  • Flujo luminoso total y hemisférico superior
  • Eficiencia luminosa (lm/W)
  • Distribución espectral
  • Temperatura de color (TCC) y rendimiento cromático (IRC)
• Ensayos térmicos:
  • Temperatura de funcionamiento en distintos puntos (led y dríver)
• Ensayos de durabilidad y envejecimiento:
  • Ensayos de encendido/apagado
  • Depreciación del flujo luminoso y variación de la TCC e IRC con el tiempo
• Ensayos ambientales:
  • Pruebas de estrés térmico
  • Resistencia a la corrosión (niebla salina)
  • Pruebas de vibración, si es necesario (uso en puentes o zonas de tráfico pesado)
• Ensayos mecánicos:
  • Grado de protección contra polvo y agua (IP)
  • Resistencia a impactos (IK)

• Potencia activa: es la potencia medida en la entrada de la luminaria, corresponde al consumo total, incluido el dríver y los módulos led.
• Factor de potencia: en un circuito de CA, el coseno de la diferencia de fase entre la tensión y la corriente se denomina FP, representado por el símbolo ‘cos φ’. En términos de valor, el FP es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente (S), es decir, cos φ equivale a P sobre S (cos φ = P/S). Un FP bajo supone una mayor carga para los equipos de suministro de energía y reduce la estabilidad de la red eléctrica. El factor de potencia de luminarias led mide la eficiencia de la iluminación durante su uso. Por ejemplo, si un led tiene un factor de potencia de 0,95, significa que tiene una eficiencia del 95%. Algunas luminarias led pueden alcanzar un FP de 0,98, e incluso 0,99 con corriente continua [2]. Durante los ensayos, FP debe ser superior a 0,95 [3].
• Armónicos eléctricos: para garantizar el correcto funcionamiento y el punto de operación de los leds, se requiere el uso de drívers o dispositivos electrónicos que generen las formas de onda y los valores adecuados de tensión y corriente. Sin embargo, si estos dispositivos no cuentan con filtros apropiados, pueden introducir armónicos de corriente en las redes de distribución, comprometiendo la calidad de la energía eléctrica (ver figura 1 y 2. Mediciones de acuerdo a normas internacionales IEC 61000-3-2 (2018) [4] [5] o su homóloga argentina IRAM 2491-3-2 [6] garantizarían contenidos de armónicos admisibles, las que deberían realizarse simultáneamente al ensayo fotométrico y bajo las mismas condiciones ambientales. El contenido de armónicos de corriente (THDi) inferior al 15%, conforme a lo establecido por las normas IRAM-AADL J 2020‑4:2014 [7].

Figura 1. Voltaje y corriente de una luminaria a led con dríver sin filtros y alto contenido de armónicos [8]

Figura 2. Voltaje y corriente de una luminaria a led con dríver con filtros y bajo contenido de armónicos [8]

• Compatibilidad electromagnética (EMC): garantiza que la luminaria led no genere interferencias electromagnéticas que puedan afectar el funcionamiento de otros equipos, y que sea resistente a perturbaciones externas del entorno electromagnético. Este ensayo contempla dos aspectos esenciales: a) emisión electromagnética: evalúa las perturbaciones conducidas y radiadas emitidas por la luminaria durante su funcionamiento; evita la interferencia con el funcionamiento de otros equipos electrónicos, y b) inmunidad electromagnética: verifica que la luminaria mantenga su correcto funcionamiento ante la exposición a fenómenos como descargas electrostáticas, transitorios rápidos, sobretensiones y campos electromagnéticos radiados. En Argentina, la norma IRAM-AADL J 2020-4:2014 [7] exige que las luminarias led cumplan con los requisitos de EMC conforme a lo establecido en las normas internacionales IEC 61000-4-x y EN 55015.
• Protección contra sobretensiones: es fundamental, ya que las luminarias led son susceptibles de daños por picos de tensión, incluso por rayos o conmutaciones de la red. Para mitigar estos riesgos se utiliza un protector contra sobretensiones (DPS), el cual desvía el exceso de energía a tierra protegiendo los componentes electrónicos sensibles de las luminarias. Por dicho motivo, es importante asegurar conexiones a tierra adecuadas para una disipación eficiente de la energía de la sobretensión. Los DPS se ensayan bajo norma IEC 61643-11 y 12 [9].

• Distribución de intensidades luminosas: para realizar cálculos de parámetros luminotécnicos como iluminancia (lx) o luminancia (cd/m²) en un diseño, exigidos por norma IRAM-AADL J2022-2 [10], se requiere contar con la distribución de intensidades luminosas en candelas obtenida en un laboratorio según los requisitos de normas [1] [11] en planos y ángulos definidos. Para su obtención, se emplea un fotogoniómetro (ver figura 3), que permite posicionar la luminaria en distintos planos verticales (ángulos ‘C’) y distintos ángulos de elevación (‘ϒ’). Por ejemplo, en la figura 4 se representa en tres planos ‘C’ verticales las curvas en candelas para distintos ángulos de elevación ‘ϒ’. Se requiere, además, la fotometría en formato electrónico estandarizado, por ejemplo, tipo IES (ver figura 5) o Eulumdat, que permita su uso en programas de cálculo como Dialux Evo o Relux, entre otros.

Figura 3. Fotogoniómetro LMT GO DS 2000 a espejo automático en el DLLyV FACET UNT

Figura 4. Curvas de intensidad luminosa de una luminaria led en fotometría absoluta (cd)

Figura 5. Fotometría parcial de luminaria led en formato IES en código ASCHII

• Flujo luminoso total: medido en lúmenes, indica la cantidad total de luz visible que emite la luminaria led en todas las direcciones. Se obtiene a partir de la fotometría de la luminaria y permite, en primera instancia, determinar la efectividad de la luminaria para iluminar un espacio. Dentro del flujo total, un parámetro de interés es el flujo hemisférico superior (FHS), es decir, la proporción de luz emitida por una luminaria que se dirige hacia la parte superior del espacio, o sea, hacia el hemisferio por encima del plano horizontal. Causa resplandor luminoso del cielo y se desea evitar la contaminación lumínica, que afecta la visión nocturna de las estrellas y las observaciones astronómicas. Diversas normas internacionales establecen límites para la emisión del FHS, entre ellas: la CIE 150 [12], EN 13201 [13] y DS43 [14]. En Argentina: en la provincia de San Juan, la Ley N.° 5771 (1987) y en Malargüe, Mendoza, la Ordenanza N.° 1298/2005. Los valores máximos de emisión permitidos están entre 0 y 1%, considerando la luminaria sin inclinación del pescante. Se debe tener en cuenta que, si se inclina el pescante de la luminaria, estos valores aumentarán.
• Eficiencia luminosa: es la relación entre el flujo luminoso total y la potencia eléctrica consumida por la luminaria. En Argentina, las normas para el alumbrado público vial establecen valores mínimos de eficiencia luminosa para luminarias led, generalmente entre 100 y 140 lm/W, dependiendo de si cuentan o no con cubiertas protectoras [15].
• Distribución espectral: describe cómo se reparte la energía luminosa que emite una luminaria en las distintas longitudes de onda del espectro visible. En otras palabras, muestra la potencia relativa de emisión en cada color (longitud de onda) que compone el espectro de la fuente de luz (ver figura 6). La norma de referencia para su medición es la IES LM 79 [1]. La distribución espectral es crucial, pues determina la apariencia del color de la luz emitida y la calidad de la reproducción de los colores. Se utiliza también para evaluar el impacto de la contaminación luminosa. En la norma chilena [14] para áreas de protección cercanas a observatorios astronómicos, la limitación máxima de radiancia espectral se indica en la figura 7. En otras zonas se permite hasta un 7% en el intervalo de 380 a 499 nm.

Figura 6. Distribución espectral de una luminaria led

Figura 7. Distribución espectral de luminarias led de temperatura de color fríos, neutros y cálidos, y las limitaciones de radiancia espectral en cuatro intervalos [14]

• Temperatura de color correlacionada (TCC) y rendimiento cromático (IRC): en iluminación vial, TCC y IRC son parámetros que atienden tanto la eficiencia visual, como el confort, la seguridad y, especialmente, la contaminación lumínica. La TCC expresa el color aparente de la luz, medido en kelvins (K). En la norma IES RP8 [16] recomienda, según el tipo de aplicación, valores entre 2.700 y 4.000 K. La DS43 obliga a valores menores a 3.000. En Argentina, la tendencia en ciudades como Rosario es adoptar TCC entre 3.000 y 4.000 K. El IRC es una medida de cómo una fuente de luz reproduce los colores en comparación con una fuente de referencia (como la luz solar o incandescente), en una escala de cero a cien. Las normas internacionales como la CIE 115 [17] recomiendan que sea mayor o igual a sesenta. En general otras normas [16] recomiendan mayor o igual a setenta. En la práctica, la mayoría de los leds viales modernos ofrecen IRC entre setenta y ochenta de forma estándar. Para medir TCC y IRC se recomienda utilizar las normas IES LM 79 [1] o CIE S 025 [18], donde se ponderan los valores de TCC e IRC por el flujo emitido por la luminaria, dado que TCC puede variar según el ángulo de emisión [19] (ver figura 8).

 

Figura 8. TCC de luminaria led vial en función del ángulo de elevación ‘ϒ’ para dos planos verticales ‘C’ (0 y 90°) [19].

• Temperatura de la juntura (Tj) del led: se estima con la temperatura del punto de soldadura (Tsp), la resistencia térmica (θth, °C/W) y la potencia del led (P,W) según ecuación 1. El fabricante especifica el punto de medición sobre la placa de circuito impreso (PCB), que es la base física donde se montan los leds, cerca del led más cercano al centro térmico del conjunto, mediante una termocupla, pegada firmemente con pasta térmica.

• Temperatura del dríver (Tc): indicada normalmente en la superficie del encapsulado.
• Temperatura en el disipador térmico (Thp): es la temperatura en el punto más caliente, llamado hot spot, ‘punto caliente’.
• Temperatura ambiente (Ta): cerca de la luminaria, usualmente a cinco centímetros del cuerpo Las normas aplicables para este tipo de ensayo son IEC 60598-1 [20], IES LM 82 [21], IES TM-21 [22] e IES LM 80 [23] e IRAM-AADL J 2020-4 [24].

• Estrés térmico: esta prueba evalúa la resistencia y estabilidad térmica del conjunto led —incluyendo el módulo led, dríver y la carcasa— cuando se lo somete a condiciones extremas de temperatura. Su objetivo es simular ciclos ambientales severos que podrían presentarse durante su vida útil en la vía pública. El procedimiento consiste en exponer la luminaria completa y apagada durante una hora a una temperatura de -10 °C, e inmediatamente después a una temperatura de 50 °C durante una hora. El proceso se repite cinco veces consecutivas. Finalizado el ensayo la luminaria deberá continuar funcionando correctamente [25].
• Ensayos de encendido/apagado: esta prueba de durabilidad evalúa la resistencia del dríver y el led en conjunto mediante ciclos repetidos de encendido y apagado, simulando las condiciones de operación reales a lo largo de los años, como el encendido nocturno diario. Para el ensayo se somete a la luminaria led a 5.000 ciclados de encendido y apagado (ambos de treinta segundos) a una tensión de 220 V ±0,2%, THDv menor o igual a 3% y temperatura ambiente a 25 °C ±3 °C con humedad relativa menor o igual a 65%. La posición de funcionamiento de la luminaria será la destinada a su uso como declare el fabricante. El ensayo se debe realizar con posterioridad al de estrés térmico. Una vez finalizado, la luminaria deberá continuar funcionando correctamente [25]. Este protocolo corresponde a una versión más simplificada de lo exigido por IRAM-AADL J 2020-4 [24].

• Depreciación del flujo luminoso: es la disminución gradual de la cantidad de luz emitida por una luminaria led a lo largo del tiempo. Se expresa como una fracción del flujo luminoso inicial, empleando designaciones como L70, L80 o L90, que indican el porcentaje del flujo original que se mantiene (por ejemplo, L70 equivale a 70% del flujo inicial). Esta pérdida es causada principalmente por la degradación de los materiales (fósforo, encapsulado, unión térmica, etc.) y por el estrés térmico. En luminarias bien diseñadas, la depreciación es lenta: valores de L80 mayores a 50.000 h son habituales en productos de buena calidad. La norma IES LM 80 [22] proporciona el método para medir la depreciación del flujo de los leds individuales. Está basado en medir cada mil horas de uso (en condiciones de laboratorio) hasta las seis mil, no debiendo decaer por debajo de un cierto porcentaje, dependiendo de la vida media indicada por el fabricante. La norma IES TM-21 [23] permite extrapolar estos datos a largo plazo para estimar la vida útil del producto (ver figura 9). Una versión más resumida de evaluar la depreciación se indica en el PLAE [15], donde la depreciación debe ser menor del 2 al 7%, dependiendo de la vida media nominal declarada por el fabricante.

 

Figura 9. Depreciación luminosa medida (hasta 6.000 h) según LM 80 [22] (puntos naranjas) con proyección según TM-21 [23] (línea roja) para luminaria led vial, resultando L70 de 50.000 h (línea de trazo) [26]

• Variación de TCC: el cambio de color de la luz emitida en los leds puede deberse a cambios físicos en la capa de fósforo que convierte la luz azul en luz blanca. Estas alteraciones pueden originarse por procesos de fabricación, desprendimientos, deslaminado o degradación del material en el tiempo. La estabilidad del color de la luz se evalúa mediante las coordenadas u',v' en el diagrama de cromaticidad CIE 1976 [27] (ver figura 10). Para garantizar una buena consistencia cromática, el apartamiento máximo recomendado Δu'v' (ver ecuación 2), debe ser menor a 0,007 [23] durante las primeras 6.000 horas de funcionamiento de una luminaria led (ver figura 11). En una recomendacion argentina, PLAE [15], se indican intervalos límites de aceptación de permanencia de color de luz para luminarias led en función de la vida media nominal indicada por el fabricante (ver tabla 1).

Figura 10. Diagrama de cromaticidad (u′,v′) CIE 1976 (escala de cromaticidad uniforme) [27]

Figura 11. Δu'v' en función del tiempo de ensayo de una luminaria led [27]

• Variación de IRC: no es un parámetro obligatorio de verificar, y en iluminación vial no es significativo. Un ΔIRC menor o igual a tres puntos se considera aceptable para iluminación vial o general. Un ΔIRC superior a cinco puede ser considerado perceptible o inaceptable, especialmente en aplicaciones exigentes (arte, medicina, comercio). La medición de IRC puede efectuarse según IES LM 79 [1].

• Grado de protección contra polvo y agua (IP): las luminarias led, en tanto están expuestas a condiciones climáticas adversas y a la contaminación ambiental, pueden sufrir depreciación. Para garantizar su vida y reducir el mantenimiento, las normas exigen un grado mínimo de protección mecánica que impida ingreso de polvo y agua tanto bajo condiciones normales de funcionamiento como en condiciones severas de mantenimiento. El ensayo IP XY consiste en someter la luminaria a una atmósfera de polvo primero, y luego a un chorro de agua. El ensayo es del tipo pasa/no pasa, es decir, si ingresa polvo (primer dígito X) o ingresa agua (segundo dígito Y), de acuerdo al protocolo de la norma, la luminaria cumple o no cumple. La exigencia actual para luminarias viales es IP 65 y el ensayo se realiza bajo la norma IEC 60598-1 [30]. El test de ingreso de polvo se verifica en un recinto estanco (cámara de polvo) con circulación de polvo de talco seco y fino (como el de tamiz de 75 μm) con concentración típica: 2 kg/m³ durante dos horas. El test de ingreso de agua (IP X5/IP X6) se realiza mediante un chorro de agua con una boquilla de 12,5 mm, 100 L/min, durante tres minutos. Finalizado el ensayo, no debe haberse producido ingreso de polvo ni de agua al recinto óptico ni al recinto del portaequipo auxiliar, que afecte el funcionamiento seguro o la integridad de la luminaria. En la figura 12 se muestra la cámara durante el ensayo IP X6.
• Resistencia a impactos (IK): es un parámetro que sirve para asegurar la durabilidad frente a golpes, vandalismo, granizo o manipulación durante la instalación y el mantenimiento en luminarias led de uso vial. Para el ensayo bajo normas IEC [31] se utiliza un martillo de péndulo (ver figura 13) o sistema de caída vertical. Se aplica un golpe en distintos puntos de la carcasa de la luminaria. Para luminarias con cubiertas de vidrio, la energía de impacto es IK 08 (5 J) y para cubiertas de policarbonato es IK 10 (10 J).

Figura 12. Cámara para verificación del ingreso de agua mediante chorro de agua según norma [30]

Figura 13. Martillo de péndulo para ensayo de IK en luminaria vial