Son muchos los fabricantes y proveedores en todo el mundo que hablan de las aparentemente infinitas posibilidades y virtudes del LED. Y, en verdad, son muchas las ventajas que presenta en comparación con las fuentes de iluminación tradicional. Pero, hay que considerar también las limitaciones debidas a los diversos ámbitos de aplicación y a las diferentes condiciones de instalación y uso. Así, como toda tecnología, el LED presenta posibilidades y límites, por lo que un adecuado conocimiento de sus características permitirá al diseñador tomar las decisiones correctas en cada caso.
En lo que sigue, se exponen los aspectos generales de la iluminación LED y sólo pretende ser una guía básica para comprender esta tecnología.
Antecedentes históricos
En 1952 Heinrich Welter, científico de Siemens, crea el diodo emisor de luz a partir del arseniuro de galio. Este material originario elaborado en forma de láminas, y combinado con aluminio o indio, produce el aumento del rendimiento lumínico. Según la composición del LED la luz emitida presenta un color determinado. Los primeros LEDs desarrollados en la década de 1970 por Nick Holonyak, técnico de General Electric, emitían una luz roja de intensidad débil. Posteriormente, agregando fósforo al arsénico y al galio, se obtuvieron colores de luz amarilla y verde. En 1993 el ingeniero Shuji Nakamura, de la empresa japonesa Nichia Chemical, desarrolla el LED azul mediante el nitruro de galio, lo cual marcó un fuerte avance en esta tecnología al poder obtener el blanco mezclando colores. Una colaboración entre el Instituto Fraunhofer y Osram Opto Semiconductors recubren el LED azul con un colorante especial que transforma parte de la luz azul en amarilla, con lo cual, ante la percepción el resultado es de luz blanca.
Tecnología
La iluminación LED constituye una nueva tecnología, por lo que, para comprenderla hay que considerar que se trata de un paradigma distinto de los tradicionales. En este sentido, cabe recordar estos paradigmas tradicionales de producción lumínica mediante la energía eléctrica.
- Iluminación incandescente: La luz se produce por el fenómeno de incandescencia, es decir, la emisión de luz por el sometimiento al calor de un filamento. La lámpara incandescente fue inventada en 1883.
- Iluminación fluorescente: La luz se produce por el bombardeo de electrones hacia una capa de sustancias fluorescentes que emiten luz al recibir este bombardeo. El tubo fluorescente fue inventado en 1936.
- Iluminación de arco o de descarga: La luz se produce por el arco voltaico o chispa eléctrica que se reproduce entre dos electrodos cercanos a los cuales se aplica energía eléctrica. La primera iluminación de arco con barras de carbón es de 1850 aproximadamente.
- Iluminación LED: La luz se produce por electroluminiscencia. El LED fue inventado en 1952.
El término LED es la abreviatura de la expresión inglesa Light Emitting Diode, es decir, Diodo Emisor de Luz. Un diodo es un componente electrónico semiconductor con dos contactos, denominados cátodo (terminal negativo) y ánodo (terminal positivo), que permite la circulación de la corriente eléctrica desde el cátodo hacia el ánodo, pero no en sentido contrario. Se trata de una pequeña pastilla o micro chip de germanio o de silicio tratada químicamente con hasta 200 capas ópticas para producir un desequilibrio de electrones entre dos zonas diferentes de dicha pastilla: la zona N y la zona P. El contacto entre las zonas N y P se denomina junción, y es la zona donde se disipa la mayor temperatura de trabajo del diodo. En este sentido, el LED pertenece a un área conocida como optoelectrónica, es decir, una tecnología que combina la óptica y la electrónica. El fenómeno que produce luz por este medio se conoce como electroluminiscencia.
El LED se fabrica a parir de un bloque general u oblea sobre la cual se sedimentan las sustancias de material semiconductor, y del cual se cortan luego las pequeñas pastillas o micro chips emisores de luz. Pero las características luminotécnicas de esta oblea no son uniformes, con lo cual al cortarla en piezas reducidas, cada una de ellas tendrá características diferentes de las otras. Con el fin de evaluar objetivamente la producción de LEDs, el bloque se corta de manera que cada pieza presenta características uniformes. Cada una de estas piezas se denomina binning, y se especifica su ubicación dentro del diagrama de cromaticidad del CIE en función del color y del flujo luminoso. De esta manera, las pastillas de LED extraídas de un mismo binning tienen las mismas características lumínicas.
El chip así producido se monta sobre una base disipadora de calor. Por último, el chip se recubre con una sustancia de silicona transparente con forma de lente, la cual ordena la dirección de la luz primaria.
Los aspectos positivos del LED son la eficacia, la durabilidad y la robustez. Tienen intensidad regulable y son resistentes al encendido y apagado frecuentes, lo cual los hace aptos para la mezcla aditiva de colores o situaciones de uso dinámicas.
Características cromáticas
A diferencia de las fuentes tradicionales que emiten un amplio rango del espectro luminoso, el LED emite luz en una longitud de onda altamente definida, lo que en términos de percepción se traduce como luz de color saturado. Respecto del color, los LEDs pueden clasificarse en dos grupos:
LEDs de luz blanca:
Hay dos variantes: los de luz blanca fría con mayor eficiencia; los de luz blanca cálida con mayor reproducción cromática. Los LEDs de luz blanca cálida no emiten ultravioletas ni infrarrojos, mientras que los de luz blanca fría emiten un porcentaje variable de ultravioletas.
LEDs de luz de color:
Se fabrican en variantes de emisión de luz roja, verde, azul y amarilla. Respecto de la producción de color, el LED emite la totalidad de su energía en un color determinado, por lo cual no hay pérdidas en términos de eficiencia (como ocurre con el factor de transmisión en los filtros de luz utilizados en otras fuentes). Los sistemas que combinan LEDs rojos, verdes y azules en un único conjunto o matriz permiten obtener infinidad de colores mediante mezclas aditivas, lo cual se conoce como sistema RGB (por sus siglas en inglés Red = rojo, Green = verde, Bule = azul).
El color de la luz depende de las sustancias con las que se fabrican los LEDs. Por otra parte, el brillo del LED, en cualquier color incluso el blanco, se consigue con dos materiales conocidos como AllnGaP y InGaN. La definición del color es tan precisa que los fabricantes pueden especificarlo a voluntad a sus usuarios. Así, por ejemplo, azul = 466nm, verde = 570nm, amarillo = 588nm, naranja = 605nm, ámbar = 615nm, rojo = 645nm.
Características fotométricas
La eficiencia o rendimiento permite evaluar la capacidad de aprovechamiento de la energía. En el caso de las fuentes luminosas, la eficiencia se mide en lúmenes obtenidos por watt consumido. La eficiencia de los LEDs es alta comparada con las fuentes tradicionales. En este sentido, en los últimos años se ha conseguido una eficiencia de 30 lm/W para los LEDs, contra 10 o 13 lm/W para lámparas halógenas y entre 70 y 100 lm/W para lámparas fluorescentes. Hay fabricantes que ya están anunciando un rendimiento de 50 lm/W, lo cual los hará realmente competitivos en este aspecto. Lo que impide un reemplazo definitivo de las fuentes tradicionales por los LEDs es la baja potencia que éstos presentan aún. Así, por ejemplo, un LED de 10W (que ya entra en la categoría de alta potencia) tendría 300 lm.
El tiempo de vida de los LEDs se define en términos de la constancia o mantenimiento del flujo luminoso, es decir, el porcentaje de luz de salida con respecto a la luz inicial después de un determinado periodo de tiempo. Los LEDs de alta calidad tienen una depreciación del 70% luego de 50.000 horas de funcionamiento.
Aspectos ópticos
Aún cuando el LED se fabrica con una lentilla para ordenar la emisión primaria de luz, los fabricantes ofrecen lentillas que producen diferentes ángulos de apertura. Así, se tendrán lentes de rayo abierto o cerrado, con borde nítido o difuso, e incluso lentes que producen distribución oval de la luz. Estas variantes permiten la solución adecuada en función de las exigencias de un proyecto lumínico particular.
Por otra parte, dado que, como se dijo, el LED es de baja potencia en relación con las fuentes tradicionales, cuando se necesita un flujo luminoso alto se fabrican grupos o matrices de LEDs con el fin de obtener la luminosidad deseada por simple suma o agregación. Dado que cada LED es una fuente con su particular ángulo de apertura, no se puede especificar este ángulo al ser la matriz una superficie de fuentes diferentes. No obstante, el conjunto o matriz producirá un cono de luz que los fabricantes caracterizan como narrow (cerrado), médium (medio) o wide (abierto).
Por lo expresado, el desafío de los diseñadores de luminarias es el desarrollo de otras estrategias para el aprovechamiento de la luz emitida por la matriz.
Aspectos eléctricos y electrónicos
La tensión de umbral para los LEDs varía según el color de la luz, siendo de 2V para el amarillo, el naranja y el rojo, y de 4V para el azul, el verde y el blanco. Generalmente, los LEDs se conectan en serie definiéndose así la tensión total de trabajo de un determinado conjunto (por ejemplo, 3 LEDs de 4V en serie deben alimentarse con una tensión de 12V). Comercialmente, los fabricantes ofrecen conjuntos con conexiones serie y/ o paralelo para ser alimentados con 10V y 24V para módulos de diferentes dimensiones. La tensión de alimentación debe ser continua y admite una tolerancia de ±3%.
Los LEDs pueden ser controlados mediante circuitos electrónicos para su encendido, apagado y regulación de intensidad. De este modo, se pueden lograr estados de iluminación altamente controlados y programarlos para ser operados o ejecutados oportunamente. El control electrónico implica un protocolo de señal para transmitir los datos y órdenes desde el sistema de control hasta las luminarias. Hay dos protocolos de control ampliamente utilizados: el DALI (de origen europeo) y el DMX512 (de origen norteamericano). El primero surge en el ámbito de la arquitectura y su desarrollo responde a los objetivos propios de la iluminación arquitectónica: facilidad de operación para el usuario no especializado, implementación específica para un proyecto determinado. El segundo surge en el ámbito del espectáculo y responde a los objetivos propios de la iluminación escénica: necesidad de conocimientos específicos para programar estados lumínicos, flexibilidad para modificar un proyecto casi sin límites.
Condiciones térmicas de funcionamiento
Con el fin de mantener la eficiencia, es necesario proveer las condiciones de temperatura adecuadas. El LED no proyecta calor en la misma dirección de la emisión de luz, pero lo hace en la base del diodo. Por ello, es necesario colocar un disipador en los LEDs de alta potencia, e incluso colocar ventilación forzada en equipos o instalaciones que producen excesiva acumulación de calor. Las características ópticas de los LEDs dependen de dos factores: la temperatura de trabajo y la corriente de trabajo. La temperatura de trabajo se considera en la juntura del diodo, denominándose, por ello, temperatura de junción. En este sentido, el flujo luminoso del LED depende de la temperatura de junción y de la corriente. A mayor temperatura, menor eficiencia. Es decir, los LEDs funcionan mejor en ámbitos con bajas temperaturas. De igual modo, un fabricante debe especificar la temperatura color (LEDs blancos) o la longitud de onda (LEDs de color) para determinadas temperaturas de junción y corriente eléctrica. En general, las informaciones que brindan los fabricantes están dadas para 20º C. El mayor rendimiento del LED se verifica a bajas temperaturas, aún cuando el rango de trabajo se ubica entre los -40º C y los 85º C. En 100º C se verifica la destrucción de la juntura del diodo, por lo que debe evitarse esta condición de trabajo.
DE GAETANO, D., y JONES, C., “FRC Fraen Corporation Reflectors for OSRAM OSTAR™ LEDs”, ficha técnica de Fraen Corporation, Rev. 02, publicación del 23 de marzo, 2007.
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