Iluminación LED: Tecnolología del futuro. ¿Y del presente?

“Richard” Reinhard Klitzing

Técnico / Responsable de Mantenimiento
Oficial Radioelectrónico Marina Mercante

No pasa día que no escuchemos o leemos algo sobre la tecnología LED como sustitución de las otras tecnologías de iluminación hasta ahora empleadas. La razón es ante todo por el ahorro energético logrado, y por ende cuestiones económicas, ecológicas y medioambientales. Pero ¿Puede esta técnica sustituir realmente las otras técnicas empleadas actualmente?  ¿Es la tecnología LED la panacea de la iluminación? ¿El ahorro energético es realmente tan grande como lo prometen anuncios y artículos de promoción? Para contestar a estas preguntas debemos entrar un poco más a fondo en su tecnología, funcionamiento, aplicaciones y limitaciones.

Para entender lo básico del funcionamiento de los LED recomiendo la lectura de un artículos del blog de un compañero de profesión, Eugenio Nieto Vilardell, El Blog de Fidestec, en concreto el artículo La tecnología LED al desnudo

Ya que vamos a tratar aspectos técnicos sobre iluminación en general, como temperatura de color, rendimiento lumínico, espectros de emisión etc. recomiendo además, para mayor comprensión, repasar el artículo que publiqué con anterioridad: bombilla and company

Para comenzar explicamos un poco de qué tipo de tecnología trata la de LED (del inglés Light-Emitting Diode, diodo emisor de luz) y su historia.

El LED  es un elemento electrónico constituido de materiales semiconductores, quiere decir conductores bajo ciertas circunstancias. Básicamente es un diodo, y como el convencional sólo conduce en una dirección. La particularidad de este diodo resiste en la emisión de luz cuando está en estado conductor. El color de ésta luz depende del material semiconductor empleado y su “dopaje”, quiere decir el agregado intencionado de impurezas de ciertos materiales al semiconductor extremadamente puro para controlar sus propiedades semiconductoras. La emisión de esta luz tiene lugar en una franja estrecha del espectro, es decir luz monocromática. A continuación mostramos un gráfico con los materiales semiconductoras habitualmente empleadas y sus colores y longitudes de onda:

La tabla no es completa, ya que se está investigando con otros materiales y se descubren y desarrollan nuevos cada instante. Esta tecnología está en constante y enérgico desarrollo.

Un poco de Historia

El fenómeno de la electroluminiscencia es conocido desde hace más de 100 años. Varios técnicos y físicos trabajaron en este tema, pero el desarrollo del primer LED como lo conocemos hoy con fines técnicos y comerciales se remonta al año 1962 de la mano del americano Nick Holonyak. Ello puede considerarse el nacimiento del LED de fabricación industrial. Su material era arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) y emitía en color rojo. Pocos años después se desarrollaron diodos que emitían también en ámbar, amarillo y verde. Durante años muchos técnicos consideraron “imposible” crear un LED de color azul, el cual sería la base para el LED blanco. Esto se logró en el año 1993 de mano del japonés Shuji Nakamura, quien poco después presentó el primer LED de luz blanca. Potencia y eficiencia mejoraron continuamente y lo siguen hoy en día.

Luz blanca

Como ya sabemos blanco no es un color, sino la mezcla de los colores del espectro visible. Según los componentes cromáticos dominantes, rojo o azul, obtenemos una luz blanca más o menos “cálida” o “fría”

Para obtener luz blanca mediante LED disponemos de dos procedimientos: La mezcla aditiva de tres colores básicos (rojo, verde, azul – RGB), o el empleo de la fotoluminiscencia igual que en los tubos fluorescentes, en la que la luz de un LED azul o UV excita una sustancia fotoluminiscente en el interior del encapsulado.

El sistema basado en RGB funciona igual que las pantallas de ordenador o de televisores. Un LED blanco RGB consiste en realidad de tres LEDs de distintos colores en un mismo encapsulado. Los más básicos disponen de dos conexiones para la alimentación y emiten luz blanca de tonalidad fijada por el fabricante. LEDs más sofisticados pueden ser regulados por equipos externos que puedan emitir luz en prácticamente todos los colores y tonos de blanco, igual que en una pantalla o tv.

Cortesía OSRAM

La forma más habitual, y económica, de crear luz blanca es mediante fotoluminiscencia. Aquí disponemos de varias técnicas. La más simple es emplear un LED de color azul y disponer sobre la pastilla semiconductora y en el mismo encapsulado una capa revestida de material fosforescente en amarillo excitada por la misma luz azul. De la mezcla de estos dos colores resulta luz blanca, aunque su IRC (Índice de Reproducción Cromática) es relativamente pobre. La configuración y composición del material fosforescente determina la tonalidad del blanco.

Fuente: WIKIPEDIA

Esta técnica se ha mejorado usando como LED base uno de emisión en UV y empleando fósforos de varias bandas de luminiscencia en el espectro. Su funcionamiento ya sido descrito en el artículo bombilla and company, en el apartado de lámparas fluorescentes, así que no vamos a entrar más en profundidad aquí. Estos LED, dependiendo de los fósforos empleados, tienen mejor IRC y son empleados en aplicaciones más exigentes, donde la fiel reproducción de los colores es importante.

Fuente: WIKIPEDIA

Una pequeña anécdota: Hace años me regalaron una pequeña linterna LED que al final no pude emplear en mi trabajo. No reproducía en absoluto los colores correctamente y no pude distinguir los distintos hilos de un cable, a excepción del neutro (azul) que sí se veía con claridad. Los demás colores se fundían en un gris – marrón.

Eficacia luminosa

De la misma se habló también en el artículo bombilla and company y vamos a refrescar un poco lo comentado allí. La eficiencia lumínica es la eficiencia con la que se transforma energía de cualquier fuente, en nuestro caso eléctrica, en energía lumínica. El valor máximo teórico está en 683 lm/W para un emisor monocromático verde (555 nm) y unos 250 lm/W para un emisor de luz blanca, sin radiaciones en los rangos fuera del espectro visible, IRC 100 y una temperatura de color de 5.800 K.

Las lámparas LED actualmente en el comercio pueden alcanzar hasta unos 140 lm/W, aunque normalmente este valor se encuentra algo por debajo. En laboratorio ya se han conseguido hasta unos 200 lm/W. Los valores habituales oscilan actualmente entre 50 y 100 lm/W.

En la siguiente tabla mostramos una comparación con otros medios de iluminación en uso actualmente, a excepción de la lámpara incandescente convencional que ya ha sido prohibida exceptuando las destinadas a aplicaciones especiales. Los valores son aproximados, pudiendo variar de un fabricante al otro, y dependen en gran medida también de la potencia y del IRC. Generalmente a menor IRC mayor eficacia luminosa. Lo mismo, pero a la inversa, se puede aplicar a la potencia. En lámparas de descarga generalmente se obtiene mayor eficacia luminosa a mayor potencia. Los valores indicados no tienen en cuenta las pérdidas ocasionadas por los equipos auxiliares, como reactancias, transformadores o fuentes de alimentación.

En los diodos LED la eficacia luminosa suele reducirse a mayor potencia. En parte es debido a la necesaria disipación de calor y por efectos cuánticos. A raíz de ello se juntan varios elementos LED para alcanzar la potencia deseada. De todas formas, la potencia máxima alcanzable actualmente es de unos pocos W en un solo elemento. Las lámparas casi siempre se componen de varios chips de unos cuantos cientos de mW.

Fuente: WIKIPEDIA, Autor: Chlempi

Fuente; WIKIPEDIA, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:E27_with_38_LCD.JPG

La influencia de la temperatura en los LED

Los semiconductores son muy sensibles a la temperatura de trabajo. Por ello han de estar provistos de un buen sistema de disipación de calor, aunque su producción es mucho menor que en lámparas convencionales no es del todo ausente, teniendo en cuenta además las reducidas dimensiones de los elementos. A ello hay que sumar la incidencia de la temperatura ambiente. Dispositivos LED han de usarse siempre en sitios con buena ventilación y donde las temperaturas no pueden alcanzar valores demasiado elevados. La temperatura influye directamente en la vida útil de los diodos reduciendo paulatinamente su luminosidad. Los efectos del calor además pueden estropear los elementos temporal- o permanentemente.

Muy acusada es esta particularidad en lámparas compactas del tipo “retrofit”, quiere decir lámparas que sustituyen directamente a otras convencionales e incorporan su fuente de alimentación y limitador de corriente en el mismo cuerpo. El calor generado por el equipo auxiliar incide directamente en los elementos LED.

Otros sistemas emplean fuentes de alimentación separadas, por ejemplo las cintas y bandas, por lo cual es más fácil diseñar la instalación de manera que su calor se disipe sin afectar a los LED.

Angulo de abertura del haz de luz

Una propiedad muy importante de los diodos LED es su reducida abertura del haz. Al contrario de la mayoría de las fuentes luminosa convencionales la emisión de luz tiene lugar desde una superficie plana de un pequeño chip. Esto provoca que la luz es emitido en una dirección determinada, en perpendicular a la superficie del chip. Una pequeña lente, con la lámina del material fluorescente incorporada, permite la difusión en otras direcciones, alcanzando en algunos modelos casi 180º. En lámparas que precisan de una difusión omnidireccional se montan los chips individuales en un cuerpo que cubre las direcciones deseadas.

Encendido instantáneo y ciclos de encendido

Las lámparas LED suministran su total flujo luminoso nada más aplicarle tensión, al contrario a las fuentes lumínicas convencionales. Las fuentes incandescentes tienen cierta inercia térmica, aunque despreciable para el ojo humano. Las lámparas de descarga tardan más en encenderse. Lámparas fluorescentes tardan unos segundos para el encendido mediante filamento incandescente y alcanzan su flujo nominal pasados unos minutos. Más tiempo, hasta alcanzar la luminosidad total, precisan las lámparas de vapor a alta presión, sean de mercurio, sodio o halogenuros metálicos.

El reencendido repetido no supone ningún problema para los equipos LED. Suministran instantáneamente todo el flujo luminoso y no les afecta en nada a la vida útil. No en vano se usa tecnología LED para la transmisión de datos y otras técnicas que precisan de esta propiedad. Lámparas fluorescentes y otras de descarga ven acortada su vida útil con repetidos encendidos. En el caso de las lámparas de vapor de alta presión incluso no es posible en un intervalo que puede llegar a 15 minutos hasta que se haya enfriada, excepto que se usen equipos de arranque que suministren pulsos de encendido de unos 40 kV en las de vapor de sodio y halogenuros metálicos.

Vida útil

La vida útil de los LED es de momento considerada la más larga de todos los sistemas de iluminación. Se habla de más de 100.000 h. Pero hay multitud de factores que la determinan. En primer lugar la temperatura. El diseño de los propios chips o elementos LED juega un papel muy importante. El sustrato de semiconductor ha de estar alojado en una superficie que permite la disipación del calor generado. Luego el encapsulado y la cercanía de los elementos uno del otro. La forma de combinar los encapsulados y la cercanía de las fuentes de alimentación y de los limitadores de corriente son objetos a cuidar en el diseño de la lámpara. La propia luminaria ha de contar con apropiada ventilación y estar alejada de fuentes externas de calor así como protegida de exposición directa al sol. Por todo ello no puede afirmarse una larga vida útil general en todas las lámparas LED. El cuidado del diseño tanto por parte del fabricante primario, de los elementos LED en sí, como de los fabricantes secundarios de las lámparas y luminarias es tan influyente como el correcto diseño de ubicación por parte del proyectista y la colocación  por el instalador.

Posición de la lámpara

Muchas lámparas precisan de una posición determinada para poder funcionar correctamente y aprovechar al máximo su vida útil. En los prospectos y envoltorios está indicada. En las lámparas LED la posición es totalmente irrelevante, no afecta en nada a su correcto funcionamiento.

Elemento (chip) LED de tecnología SMD, cortesía OSRAM

Parpadeo

El parpadeo como lo conocemos de lámparas de descarga que operan a la frecuencia de la red es prácticamente inexistente ya que los elementos LED funcionan con corriente continuo, y depende, si lo hubiera en cantidad despreciable, del filtrado de la fuente.

Reciclaje y medio ambiente

Aunque las lámparas LED por su bajo consumo y su alta eficacia luminosa contribuyen en gran medida a la protección ambiental reduciendo las emisiones nocivas de las centrales eléctricas, su fabricación no es tan limpia. Pero este aspecto se compensa por su larga vida útil.

LEDs agotadas o averiadas son consideradas residuo electrónico y han de llevarse a un centro de recogida de residuos especiales, punto limpio de los ayuntamientos o a la recogida selectiva de establecimientos y centros comerciales, de la misma forma que teléfonos móviles y otros productos electrónicos. NO pintan nada en la basura ordinaria. Los establecimientos y distribuidores están obligados a su recogida al comprar un producto nuevo.

Empresas de reciclaje como AMBILAMP disponen de puntos de recogida en muchos establecimientos. En el siguiente enlace puede localizar algún punto muy cerca de su domicilio o negocio (España):

http://www.recogidasambilamp.com/index.php

En el caso de establecimientos e industrias el gestor de residuos contratado tiene que hacerse cargo del correcto tratamiento de estos residuos.

Ventajas de la iluminación LED

Alta eficacia luminosa, muchas opciones de temperatura de color e IRC, nulo parpadeo, o de muy alta frecuencia dependiendo de la fuente de alimentación. Operan en cualquier posición. Funcionan perfectamente a muy bajas temperaturas. Diseño de ambientes muy difíciles de crear con otras tecnologías.

Desventajas

Sensibilidad a altas temperaturas, altos costes iniciales, Calidades no homogéneas de distintos fabricantes. Muy altos costes en aplicaciones de mayor potencia. Haz luminoso unidireccional.

Resumen y observaciones particulares

La tecnología LED supone un extraordinario avance en las técnicas de iluminación. Una auténtica revolución Atrás han quedados los tiempos en los que LEDs era usados únicamente como indicadores en equipos electrónicos y en calculadoras. Esta tecnología permitía desarrollar nuevos conceptos en equipos de televisión, ordenadores y dispositivos móviles. Ahora toca a la iluminación a entrar en una era totalmente nueva.

La tecnología LED no solo permite emular lámparas con formas de las tradicionales, sino abre el camino a nuevas formas de crear espacios y ambientes. Muy famosa son ya desde hace tiempo las cintas LED, bandas flexibles de silicona con elementos LED de los más diversos colores. “Bombillas” como las antiguas pero a base de LED casi no se distinguen de las convencionales y permiten crear ambientes cálidos y románticos. Lámparas con posibilidad de control de temperatura de color y de color en sí mediante equipos especiales de gestión de luz posibilitan cuidar una cierta “higiene lumínica”, comentado en mi artículo ¿Nos hace enfermar la luz artificial? cambiando estos parámetros según conveniencia y hora del día.

En aplicaciones especiales, como pilotos de control o alarma de equipos, semáforos u otros sistemas de avisos, las lámparas LED suponen una enorme ventaja por su alta visibilidad incluso en ambientes muy iluminados y su baja ratio de fallo. Si falla alguno de los múltiples chips LED el resto de la lámpara sigue ejerciendo su función.

Particularmente veo la tecnología LED de la que disponemos actualmente una alternativa real y muy ventajosa a la iluminación a base de lámparas incandescentes, convencionales o halógenas. Esta ventaja se reduce en el caso de las lámparas fluorescentes compacta, como por ejemplo en downlights. Está en manos del proyectista de realizar los cálculos pertinentes en cuanto a si una sustitución o instalación nueva debe realizarse. En casos de iluminación con repetidos encendidos la lámpara LED se muestra claramente superior ya que los ciclos de encendido no afectan en nada a su vida y el flujo luminoso está al 100% al instante, como puede ser su aplicación en baños públicos, pasillos de hotel etc.

Más escéptico estoy cuando de la sustitución de tubos fluorescentes se trata. Los modernos tubos T5 disponen de una eficacia luminosa prácticamente igual a la de la mayoría de las lámparas LED actuales. El alto precio de las últimas podría hacer inviable su empleo.

Según mi entender, y a base del estado actual de la tecnología, la iluminación de potencia aún no tiene competidor en las LED. Lámparas de sodio tienen una eficacia luminosa más alta, son más económicas, y su estrecho rango del espectro emitido (amarillo) las favorecen en iluminación viaria y de exterior en general también por aspectos de salud y ecológicos (no atraen insectos nocturnos). La iluminación de instalaciones industriales se realiza ventajosamente con lámparas de halogenuros metálicos. Opino todo ello teniendo en cuenta que a mayor potencia de las lámparas LED en su conjunto y los chips LED en particular, se supone menor expectativa de vida por problemas de disipación de calor, aparte de que la eficacia luminosa de elementos LED de potencia no es tan alta como la de elementos menores por razones de efectos cuánticos y problemas de disipación de calor.

Al ser la tecnología LED un nicho industrial en pleno auge el cual muchos fabricantes, importadores y distribuidores quieren aprovechar, incluso para conseguir un cierto estatus ecológico y de preocupación por el medio ambiente, el mercado se ve inundado con productos de las más diversas calidades. En foros y debates entre profesionales se llegó a comentar la corta duración de ciertos modelos y marcas. Yo mismo he podido observar en muchos escaparates y expositores de tiendas del ramo ejemplos de cintas y lámparas LED con chips apagados o de luminosidad reducida. Así veo conveniente que los profesionales del sector, distribuidores, proyectistas, instaladores, discuten esta problemática en foros y debates para fomentar de esta forma mayor concienciación y obligar a los fabricantes a homogenizar la calidad de los productos en el mercado.

También el empeño de lograr cierto reconocimiento en materias ecológicos y conseguir algún “marchamo verde” veo, a mis ojos, en muchas ocasiones equivocado. He podido ver notas de instituciones y ayuntamientos anunciando la intención de cambiar la iluminación vial existente por otra basada en LED. Si la instalación existente está basada en vapor de sodio, de verdad no me salen las cuentas. Otra cosa sería si se trata de equipos basados en lámparas incandescentes, pero ya sería muy raro. Tampoco se usan ya desde hace tiempo las de mezcla (Incandescencia en combinación con vapor de mercurio).

En este último apartado he incluido algunas consideraciones personales y estoy totalmente abierto al debate. Precisamente por ello podemos avanzar en conocimientos compartiéndolos y discutiéndolos.

De todas formas ha de considerarse la tecnología LED como la técnica de iluminación del futuro, ya que está sometida a constantes investigaciones y desarrollo.

En la confección de este artículo me he servido, aparte de los recuerdos del instituto y la constante lectura de artículos técnicos, de las siguientes páginas web:

http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode

http://www.osram.de/osram_de/news-und-wissen/led-home/

La distribución de este artículos está permitida, y deseada, pero siempre mencionando la fuente y poniendo su enlace, y solo para fines que no sean lucrativos.