Eficiencia en linternas

Puede parecer una obviedad, pero en ocasiones este tipo de términos pueden llevar a engaño. Para explicar este término he creído oportuno crear esta entrada, que servirá a partir de ahora para apoyar una nueva característica que quiero implementar en mis reviews en un futuro cercano.

Cuando nos ponemos a analizar el rendimiento de una linterna, tenemos por un lado el tiempo de ejecución (runtime), que no es otra cosa que la cantidad de tiempo (hh:mm:ss) que la linterna puede ofrecer de forma continua con un tipo de batería X. Por otro lado, tenemos la salida (output) en Lumen (LM), que es la cantidad de luz que la linterna emite en cada momento, los cuales son registrados mediante el fotodetector de la esfera, y almacenados en una hoja de cálculo en sus correspondientes columnas, lo que me permite luego la postproducción de los datos para elaborar gráficas.



Estas gráficas están muy bien ya que nos permiten observar de forma muy visual el comportamiento de una linterna, medir de forma precisa el tiempo continúo de ejecución que ofrece, la salida puntual que ofrece en cada instante de dicho tiempo o como le afecta los cambios en la tensión de su alimentación, pero a la hora de comparar la eficiencia pura y dura, resultan poco prácticas. Diferentes tipos de regulación, salida o incluso gestión térmica (activa o pasiva) hacen que comparar la eficiencia sea algo complicado a simple vista.

Entonces, ¿Cómo podríamos medir de forma tangible la eficiencia de una linterna? Esa pregunta llevo ya bastante tiempo rumiándola, y finalmente me he decidido a probar con una sencilla fórmula para obtener valores comparables.

Partimos de la base en la que tenemos una ecuación con dos variables y una constante.

• Variable 1: Los diferentes tipos de LED empleados tienen diferentes especificaciones, pudiendo haber grandes diferencias en eficiencia entre un antiguo XR-E y un moderno XP-L, o incluso entre un XP-E2 y un XM-L2 contemporáneos.
• Variable 2: El “firmware” que gestiona dicha energía convirtiéndola en luz de diferentes modos, a lo que llamamos regulación: Tenemos linternas reguladas con salidas lineales, tenemos linternas con stepdown controlados por tiempo o por temperatura, tenemos linternas que no están reguladas y su rendimiento es un reflejo de la curva de descarga de su batería…
• Constante 1: La energía que ponemos a disposición del circuito de la linterna, en forma de batería, gracias al empleo de baterías de las mismas especificaciones.

La forma óptima de medir la eficiencia sería calcular el área que cada curva delimita entre el eje X y el eje Y. Esa área nos dará un valor comparable, ya que a grandes rasgos es la cantidad de Lumen*h que la linterna es capaz de producir con un tipo de batería específico.

Para entender mejor el concepto he creado el siguiente ejemplo:



Tenemos tres linternas distintas. Las tres tienen una salida distinta (100, 50, 20LM), y obviamente cada una de ellas tiene también un runtime distinto (20, 40 y 100 minutos respectivamente). Para comparar la eficiencia entre los tres supuestos, tenemos que calcular el área que cada línea delimita entre ambos ejes. Os lo he puesto fácil, eh? Las tres áreas tienen exactamente la misma superficie de “20 cuadriculas”. Por lo tanto, estaríamos ante un extraño ejemplo de tres linternas que obtienen el mismo resultado en este nuevo test de eficiencia.

Hasta aquí todo muy bonito y sencillo, pero ¿Cómo lo hacemos cuando las líneas forman curvas complejas?



Es en este punto cuando he recurrido a mi experto matemático, el doctor kreisl, quien rápidamente me apunto la forma correcta de medir un área “compleja” en este tipo de gráficas.

Los datos mediante los cuales calcularemos la eficiencia en LM*h son exactamente los mismos desde los cuales elaboro las gráficas de rendimiento. Estos datos se obtienen en un test en esfera integradora, y son recopilados por un PC que logea los datos en una frecuencia de 2Hz (dos datapoints por segundo), aunque (para facilitarme la vida) las gráficas las elaboro con una conversión a 0.066Hz (cuatro datapoints por minuto) de los mismos.
Para calcular el área, tenemos que hacer un sumatorio de todos los puntos que conforman la línea, para posteriormente multiplicar el resultado por 15 y dividirlo entre 3600.

Eff= (∑output)*15/3600

Esta tarea es fácilmente automatizable en una hoja de cálculo, resultando una fórmula bien sencilla:



A grandes rasgos, lo que esta fórmula hace es darnos un valor en LM*h, que vendría a equivaler a la cantidad de salida lineal que la linterna emite ajustada a una hora.

Por ejemplo:
Una linterna que nos ofrezca 100LM estables y lineales durante una hora obtendría este resultado:
Sumatorio de la columna de salida 100LM*240 datapoints=24000LM
24000*15/3600= 100LM*h

Otro ejemplo sería otra linterna (o esa misma en otro modo) que tuviese una salida estable y lineal de 50LM por dos horas:
50LM*480 datapoints=24000LM
24000*15/3600= 100LM*h

Como podéis ver, este sencillo cálculo nos permite obtener un valor de eficiencia comparable entre dos linternas con salidas distintas, ya que lo que hemos calculado es el área, en LM*h.

Gracias a esto, podremos calcular la diferencia en eficiencia entre una linterna que tengan salidas muy distintas pero que utilicen la misma batería, ya que lo que mediremos es el área en LM*h en lugar de simplemente una cantidad de tiempo o un valor de LM puntual.

Por ejemplo:
Una linterna que nos ofrezca 100LM estables y lineales durante una hora obtendría este resultado:
Sumatorio de la columna de salida 100LM*240 datapoints=24000LM
24000*15/3600= 100LM*h

Otro ejemplo sería otra linterna (o esa misma en otro modo) que tuviese una salida estable y lineal de 50LM por dos horas:
50LM*480 datapoints=24000LM
24000*15/3600= 100LM*h

En la segunda algo falla y es que has debido el total por el tiempo de solo una hora y por eso da ese valor tan extraño-
No puede ser que una linterna a 50lm tenga una eficiencia de 100lm seria todo un logro.
Entiendo que ha sido un fallo.

50LM*480 datapoints=24000LM
(24000*15/(7200)= 50LM*h

Para mi el trabajo que es has echo me parece formidable y se puede llegar a crear una escala que en las review nos diga que tal es de efectiva nuestra linterna.
Ya que tu tienes los medios y la idea , seria bueno probar la eficiencia de las diferentes baterias para una misma linterna, pues supongo que tambien puede variar algo.
También podríamos hablar de eficiencia energética si cambiases las horas por watios, aunque para mi es mas importante lumenes /hora que lumenes /watio

No, no falla nada. Recuerda que estamos calculando el área, ni el runtime ni la salida.



Estamos hablando de LM*h (Lumen por hora) no de Lumen/h (Lumen a la hora)
Como digo, es convertir la salida de la linterna en cantidad de salida lineal ajustada a una hora.

Es como tener un terreno de 100m de largo y 20m de ancho, y otro de 50m de largo y 40m de ancho. Aunque tienen formas distintas, si quisiéramos alicatarlos con losas necesitaríamos la misma cantidad ya que ambos tienen la misma superficie/área.

Todo este rollo es para hacer comparaciones. Por ejemplo, podremos ver dentro de una "familia", que linterna aprovecha mejor sus recursos. La idea es hacer una gráfica en la que se muestre, en barras seguramente, como de eficiente es cada linterna según esta sencilla fórmula, y compararla con otras similares. Por spuesto, por similares se entiende linternas que usan la misma batería, y que han sido testeadas con baterías iguales.
Podríamos rizar el rizo y buscar una comparación de LM*h / mAh (calculandolo en base a la capacidad de cada batería, etc), pero la comparación sería un tanto extraña ya que comparar la eficiencia de una 4x 18650 y la de una 10180 o la de una AAA nimh no tiene demasiado sentido.

Magnifico Upz.

Una cosa, el 15 que valor es.... ¿De donde sale?

Es la frecuencia de muestreo de cada datapoint. (Cada datapoint equivale a 15 segundos de runtime)

Perfecto, me parece muy interesante.

Y además cada linterna no tendrá un solo valor, sino que tendrá un valor para cada modo que tenga. De hecho supongo que no será lo mismo medirlo en alta, media o baja. Supongo que la mayor eficiencia será en un modo medio. En alta al calentarse mas el LED supongo que la eficiencia bajará, y en modo muy bajo abrá consumos parasitos además del propio del LED que haga que pierda eficiencia. Si se pudiese separar el consumo del regulador se acercaría algo más, pero eso ya es muy complicado.

De hecho yo habitualmente cuando veo reviews de linternas suelo hacer mentalmente los calculos de eficiencia, para ver en que modo aprovecho más la energia de la bateria, por ejemplo, si uso una linterna con 900 lumens 1 hora, o a 400 lumenes 3 horas, entiendo que es más eficiente a 400 lumenes.

Gracias Upz.

¿Y para calcular la eficiencia se utilizarían solo los valores ANSI-Nema imagino?. Es decir, hay linternas que
cuando el voltaje de la batería es bajo cortan, pero tengo otras antes de apagarse están un tiempo rindiendo por debajo del 10% del valor ANSI-Nema, que es un valor que no se considera para el cálculo del runtime.

De hecho yo habitualmente cuando veo reviews de linternas suelo hacer mentalmente los calculos de eficiencia, para ver en que modo aprovecho más la energia de la bateria, por ejemplo, si uso una linterna con 900 lumens 1 hora, o a 400 lumenes 3 horas, entiendo que es más eficiente a 400 lumenes.

Es un claro ejemplo de a lo que yo me refiero.
Teniendo en cuenta que en todas mis reviews utilizo siempre el mismo tipo de batería (Eneloops de 750mAh (Typical 800mAh) para AAA y Eneloops de 1900mAh (Typical 2000mAh) AA, RCR Nitecore NL166, UR14500P, NCR18650A) este cálculo son ofrecerá una visión clara de cual es el grado de aprovechamiento de la energía, ya sea entre distintas linternas o incluso entre una misma linterna en diferentes modos.

Con el ejemplo que pones, suponiendo que los 900LM y 400LM que mencionas son completamente lineales (una linea totalmente recta desde el minuto 0 hasta el 60, y luego se apaga), ambos modos de la linterna obtendrían un valores de LM*h distintos:

Primero calculamos el sumatorio del modo de 900LM:
∑=900LM completamente lineales por 1 hora (3600 segundos/15) 240datapoints = 900*240=216000
216000*15/3600= 900LM*h

Y ahora, hacemos lo propio para le modo de 400LM:
∑=400LM completamente lineales por 3 horas (10800 segundos/15) 720datapoints = 400*720=288000
288000*15/3600= 1200LM*h

Efectivamente, el modo de 400LM por tres horas ofrece una eficienia de 1200LM*h, frente al modo de 900LM que se queda en eso, 900LM*h.
Este ejemplo es muy básico, ya que partimos de la suposición que la linterna emite 900 o 400 lumen totalmente estables, y es algo que no nos vamos a encontrar en la vida real.

Sin ir más lejos, esta imagen que he usado para ilustrar este post tiene los primeros minutos del log de una linterna AAA (Columna A), donde podréis advertir que la salida es un valor que va cambiando, y es ahí donde el sumatorio se hace importante.

Saludos!

Estás hecho un hacha Upz, me sangran las manos

Como peor eficiencia lumínica supongo que el ejemplo sería una direct drived por su rápida caída y consumo exagerado al principio, estaría bien una prueba con una para comparar la mejora respecto al resto que sean reguladas.

Gracias Upz.

¿Y para calcular la eficiencia se utilizarían solo los valores ANSI-Nema imagino?. Es decir, hay linternas que
cuando el voltaje de la batería es bajo cortan, pero tengo otras antes de apagarse están un tiempo rindiendo por debajo del 10% del valor ANSI-Nema, que es un valor que no se considera para el cálculo del runtime.

En principio no. Para calcular la eficiencia habría que tomar en cuenta el sumatorio de todos los valores recogidos por el muestreo.
Hemos hecho algunas pruebas, recortando la columna hasta el 10% y sin hacerlo, y la diferencia es prácticamente inapreciable, ya que utilizando el log completo por un lado aumentas en el sumatorio la cifra de datapoints pero por otro bajas la media del valor de LM.
Es algo que estudiaré sobre la marcha cuando ponga en práctica esta característica en las reviews venideras.

Estás hecho un hacha Upz, me sangran las manos

Como peor eficiencia lumínica supongo que el ejemplo sería una direct drived por su rápida caída y consumo exagerado al principio, estaría bien una prueba con una para comparar la mejora respecto al resto que sean reguladas.

Pues tengo mis dudas

Mi suposición es que tendrán peor eficiencia aquellas linternas que sometan al LED a una corriente extremadamente alta durante un tiempo contínuo persiguiendo las ansiadas cuatro cifras en la famosa tabla de valores ANSI.
Es algo que podriamos hacer en un futuro, calcular la eficiencia de dos linternas que tengan el mismo LED y que una tenga regulación (la que sea) y la otra esté en direct drive. Para mantener la regulación el driver tiene que ir compensando la pérdida de tensión de la batería mediante mayor corriente, cosa que en el direct drive no ocurre.

Además, piensa que la mayor eficiencia "en crudo" de un LED es cuando se le alimenta con el ~30% de su corriente máxima aplicable, y en una regulada para mantener salidas altas ese punto ni lo huelen, sin embargo las que están direct drived llegan a pasar por ahí en su descenso gradual...

Estás hecho un hacha Upz, me sangran las manos

Como peor eficiencia lumínica supongo que el ejemplo sería una direct drived por su rápida caída y consumo exagerado al principio, estaría bien una prueba con una para comparar la mejora respecto al resto que sean reguladas.

Pues tengo mis dudas

Mi suposición es que tendrán peor eficiencia aquellas linternas que sometan al LED a una corriente extremadamente alta durante un tiempo contínuo persiguiendo las ansiadas cuatro cifras en la famosa tabla de valores ANSI.
Es algo que podriamos hacer en un futuro, calcular la eficiencia de dos linternas que tengan el mismo LED y que una tenga regulación (la que sea) y la otra esté en direct drive. Para mantener la regulación el driver tiene que ir compensando la pérdida de tensión de la batería mediante mayor corriente, cosa que en el direct drive no ocurre.

Además, piensa que la mayor eficiencia "en crudo" de un LED es cuando se le alimenta con el ~30% de su corriente máxima aplicable, y en una regulada para mantener salidas altas ese punto ni lo huelen, sin embargo las que están direct drived llegan a pasar por ahí en su descenso gradual...

Sería bueno verlo, yo creo que si la batería tiene buena entrega y al sobrepasar el voltaje que requiere el LED al principio se pierde mucho en eficiencia dado que si al 100% el led ya es menos eficiente, no digamos al 120% ó mas que se pueden poner algunos como el XP-G2, por otro lado no hay perdida del driver al no tenerle, pero salvo los muy malos, suelen ser bastante eficientes.

Otro nivel.

Un trabajo excelente, UPz. :aplauso:

Me acabo de parar a ver el post y me parece excelente. Me apunto al comentario de Luisgcan, cada nivel de salida tendrá una eficiencia diferente, y los niveles bajos y medios tenfdrán más eficiencia que los altos, no sólo por la pérdida de eficiencia con el calor sino también debido a las curvas de rendimiento de los leds, que aprovechan más los miliamperios cuando éstos son pocos que cuando son muchos.