The design and implementation of a spectrally tuneable LED-based light sourde : towards a new era of intelligent illumination

Abstract

Rising population numbers place ever increasing demands on energy resources. A large percentage of the worldwide energy production is reserved for the generation of electricity and a significant portion of the electrical energy generation is used for illumination purposes. At the same time, people demand brighter light sources that provide better light quality. The luminaire of today is not just a simple lamp, but a complex, intelligent piece of technology designed for a specific purpose. This doctoral dissertation aims to provide a link between the theoretical universe surrounding the physics of electromagnetic radiation and the practical illumination world. A theoretical framework presents the physical properties of light and connects, through the human visual system, to a number of perceptual models. Based on these perceptual models, the colourimetric qualities of an illumination spectrum are analysed and a theoretical framework that aims to optimise the balance between colour fidelity and energy efficiency is proposed. The result of this optimisation is a spectrum that needs to be implemented into a light source. Recent advancements in semiconductor technology led to the development of highly efficient light emitting diodes. The monochromatic nature of these light sources offers the possibility of creating a spectrally tuneable luminaire that is able to reproduce these optimised illumination spectra. A fully integrated spectrally tuneable light engine combines knowledge on characterising and driving LEDs, optical design and thermal management. Each group of monochromatic LEDs needs a variable current source that ensures predictable behaviour regardless of their dimming level or temperature. An advanced optical solution enables efficient light extraction from the LEDs, provides excellent luminance and chroma homogenisation and, finally, delivers a suitable beam pattern for the intended illumination application. Proper thermal management establishes sufficient heat extraction to guarantee low semiconductor temperatures. Finally, the LED light engines created during this doctoral research are incorporated into three spectrally tuneable illumination devices, each designed for a specific purpose. A set of spectrally tuneable downlights installed in the laboratories of the lighting group of the Catalonia Institute for Energy Research (IREC) in Barcelona, Spain and the department of neuroscience of the University of Newcastle in the United Kingdom serves as a valuable tool for experiments that evaluate both physical and psychovisual properties of selected illumination spectra. A compact spotlight, used during the "Making Colour" exhibition of the National Gallery in London, is optimised to provide a set of specific illumination spectra to illuminate art reproductions. Lastly, a high power luminaire was designed to generate specialised spectra to irradiate greenhouse plants, steering their morphology and the production of plant-specific compounds.

El incremento de población mundial en los últimos años implica necesariamente un incremento en la demanda energética global. Un alto porcentaje de la energía producida globalmente es utilizada para iluminar los diferentes espacios. Al mismo tiempo, los usuarios reclaman cada vez fuentes de luz más potentes y entornos más iluminados y con mayor calidad de luz. Las luminarias actuales no son simplemente lámparas, sino sistemas complejos e inteligentes diseñados con propósitos específicos. Esta tesis doctoral pretende unir dos espacios que normalmente son abordados de manera separada: por un lado, el entorno teórico de la radiación visible y sus propiedades colorimétricas, y por otro lado la luminotecnia aplicada. En el ámbito teórico, se han tratado con las propiedades físicas de la luz, estableciendo un puente a través de la visión humana con diferentes modelos de percepción visual. En base a estos modelos, se han analizado las propiedades colorimétricas de los espectros de iluminación estudiados y se propone un marco teórico de optimización entre fidelidad de color y eficiencia energética. Los resultados de esta optimización se han implementado también en una fuente de luz de espectro modulable real. Recientemente, el mercado LED está alcanzando valores altísimos en cuanto a eficacias lumínicas. Sin embargo, el crecimiento del mercado pasa por mejorar otros aspectos que garanticen el progreso de la tecnología. La naturaleza esencialmente monocromática de los LEDs de estado sólido ofrece la posibilidad de crear fuentes de luz de espectro sintonizable mediante la composición espectral o adición cromática de varios tipos diferentes de LED. Para el diseño de una de estas fuentes de luz se requieren conocimientos en cuanto a la caracterización y energizado de los LEDs, diseño óptico y diseño térmico. Cada clúster de LEDs de características espectrales similares necesita una fuente de corriente variable que garantice unos valores estables y que no dependan de otros parámetros como la potencia de entrada o la temperatura. Se necesitan también soluciones ópticas avanzadas para conseguir no solo una alta eficiencia de extracción de la radiación sino también una mezcla homogénea de los colores a la salida así como una distribución angular específicamente diseñada para cada aplicación. Por otro lado, se precisa de un manejo térmico óptimo que permita la extracción de calor hacia elementos activos o pasivos para que así la temperatura de la unión de los LEDs sea óptima. Finalmente, los módulos LED creados durante esta tesis doctoral se han incorporado en tres luminarias distintas representativas de tres campos de aplicación independientes. La primera aplicación implicó el diseño y la incorporación de los módulos LED a un grupo de downlights que se instalaron en una habitación del Instituto de Investigación en Energía de Cataluña y en el Instituto de Neurociencia de la Universidad de Newcastle (UK), constituyendo dos instalaciones únicas para la investigación de los aspectos físicos y físico-visuales de diferentes espectros de iluminación. Para la segunda aplicación, se diseñaron un conjunto de luminarias tipo spotlight que fueron instaladas y demostradas en la exhibición "Making Colour" que tuvo lugar en la National Gallery (Londres). En la misma, se mostraron las propiedades de distintos espectros de iluminación. Finalmente, se ha realizado también una luminaria de alta potencia optimizada para la generación de espectros de interés en horticultura, habiéndose demostrado que es posible cambiar la morfología de los cultivos estudiados e incentivar la producción de ciertas vitaminas y compuestos