Irradiancia de un LED al variar la distancia y la corriente eléctrica

in #stem-espanol2 months ago

Variación de la irradiancia de un LED

Giovanni Marín
03/05/2022

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

El siguiente paso para calibrar nuestro simulador solar compacto ha sido el estudio de la variación de la irradiancia del LED MCWHL6 cuando aumentamos la potencia eléctrica del LED a través del suministro de corriente eléctrica y el incremento del voltaje asociado. Además, como existe la posibilidad de colocar los dispositivos optoelectrónicos en cualquier posición dentro de la cámara oscura, pues también estudiamos la disminución de la irradiancia al incrementar la separación entre el sensor piranómetro y la fuente de iluminación LED.

En todo sistema óptico lo más importante es mantener la alineación de todos sus componentes, así que lo primero que se hace es centrar el punto medio del sensor piranómetro, que es la parte oscura que se protege con 2 cúpulas de vidrio, con el foco emisor de luz, que en este caso es el LED MCWHL6. Menciono el modelo porque el espectro de emisión para cada longitud de onda puede variar según los componentes usados en la fabricación del LED.

Componentes electrónicos y ópticos del Simulador Solar compacto

Podemos observar el LED (Light Emitting Diode) encendido a través del equipo Keithley que opera como fuente de corriente (I = 500 mA) y mide el voltaje asociado (V = 3,14642 V) a ese consumo de corriente. Como resultado, el LED tiene una potencia eléctrica (PE = IV = 1,57 W) equivalente a la energía eléctrica de consumo de este tipo de LED. Por supuesto, si aumento la corriente en el LED también se incrementa el voltaje asociado, tal como vimos en la gráfica Voltaje - Corriente de mi anterior publicación.

Procedimiento de calibración de Irradiancia en el Simulador Solar

El procedimiento es sencillo, sólo debemos ubicar el LED a una distancia tabulada, encendemos el LED con una determinada corriente eléctrica y posteriormente tomamos la lectura del medidor de irradiancia. Para facilitar el proceso de calibración, dejamos fija la separación LED-Piranómetro y variamos la corriente en el LED para los siguientes valores en mA: 100, 300, 500 y 800.

Resultados de la medición

En la siguiente tabla de datos, he colocado algunos valores representativos de la distancia de separación, ya que las mediciones de irradiancia se hicieron cada 0,50 cm, comenzando desde 3,50 cm debido a la separación forzosa por la cúpula de vidrio que protege al sensor del piranómetro. Por supuesto, incrementamos la corriente eléctrica en el LED para cada posición y se indican en esta misma tabla.

La irradiancia máxima de este tipo de LED es de 25,0 W/m2, para la separación de 20,0 cm y una corriente máxima de 1200 mA, pero no me atreví a tanto y llegué hasta 800 mA para este tipo de caracterización.

En esta gráfica detallamos la variación del IRRADIANCIA (W/m2) del LED MCWHL6 con la DISTANCIA (cm) de separación LED-Piranómetro para un valor de la CORRIENTE (mA) del LED igual a 500 mA. La línea continua de color rojo es un ajuste que hice al considerar la ley del cuadrado inverso de la distancia, sabiendo que la intensidad de la irradiancia no cambia de manera lineal.

Lo mismo ocurre cuando inserto la irradiancia en función de la distancia para otros valores de corriente eléctrica suministrada al LED.

En principio, ya tengo los valores de irradiancia o densidad de potencia óptica en W/m2 para ciertos valores de distancia, si es necesario ubicamos el dispositivo optoelectrónico (DOE) en otra posición y calculamos el valor de irradiancia según el ajuste realizado a la curva experimental. TIP 1: la recomendación es desplazar la ubicación del LED o del DOE en las separaciones ya estudiadas.

Ahora veamos lo que sucede con la irradiancia para ciertos valores de distancia y con otros valores de corriente en el LED, ya que me parece que debemos trabajar a distancias cercanas y con corrientes bajas para alargar la vida útil del LED.

Vuelvo a mencionar que los valores indicados en ambas tablas corresponden a las mediciones de irradiancia en unidades de W/m2, para ir aclarando dudas. Lo resaltante es que para valores bajos de corriente eléctrica en el LED (10 mA) la irradiancia es indetectable dentro de los 9,08 uV//m-2de sensibilidad del piranómetro a distancias superiores a 5,00 cm y me atreví a pasar 1 A por el LED, pero unos 3 s a lo máximo, para medir la máxima irradiancia a 4,00 cm igual a 413 W/m2.

Variación de la corriente del LED y los valores de la irradiancia a 4,00 cm de separación

Tampoco se observa una dependencia lineal entre estas variables estudiadas, por lo que en todo momento es conveniente realizar los cálculos necesarios para obtener el valor correcto de la irradiancia para cada valor de corriente y para cada distancia de trabajo.

Aportes de esta publicación.

Esta publicación puede servir de referencia para iniciarse en el mundo de la energía solar fotovoltaica, donde se requiere determinar un valor de la irradiancia que llegará a la superficie (área activa) del dispositivo optoelectrónico que se desee estudiar. Cuando la potencia óptica de la fuente de iluminación llegue al dispositivo solamente debemos hacer circular una cierta cantidad de voltaje que pueda crear una diferencia de potencial eléctrico entre los terminales positivo y negativo del DOE, el cual va a generar una cantidad de corriente eléctrica entre nA y mA, generada por los mecanismos de conducción eléctrica que dependerá de los materiales semiconductores con que esté fabricado dicho dispositivo.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Próxima publicación con fotodiodo: Measuring LED Power and Irradiance

Radiación, Geometría, Recorrido óptico e Irradiancia
Control de voltaje y corriente constante al utilizar LED
¿Cómo afecta la tensión a la corriente en los LED de colores?
Irradiancia y Radiancia


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