“Richard” Reinhard Klitzing
Técnico / Responsable de Mantenimiento
Oficial Radioelectrónico Marina Mercante
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):
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:
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.
