5. Iluminación LED

• 5.1. Historia del LED
• 5.2. Ventajas de la iluminación LED
• 5.3. Elipse de MacAdam (Agrupamiento)
• 5.4. Vida del LED
• 5.5. Seguridad fotobiológica
• 5.6. Flickering (Parpadeo)
• 5.7. Reemplazabilidad
• 5.8. El consorcio Zhaga

5.1. Historia del LED

El término LED es un acrónimo de la expresión Light Emitting Diode (en castellano diodo emisor de luz). Es un dispositivo semiconductor que emite luz con una longitud de onda monocromática cuando se polariza de forma correcta pasando corriente entre sus 2 extremos.

Este efecto productor de luz, fue observado por primera vez en el año 1907 por el británico H.J. Round al realizar experimentos sobre la conducción de corriente en diferentes materiales. La luz observada en estos experimentos era muy pequeña y no se le dio mucha importancia.

A mediados de los años 20, el ingeniero ruso Oleg Vladimirovich Losev, observo la emisión de luz por diodos frabicados con óxido de zinc y cristales de silicio, que eran utilizados en receptores de radio. Escribió algunos artículos en distintas publicaciones de varios paises, pero murio con 39 años en el año 1942, durante el asedio a Leningrado, no dejando discípulos ni compañeraos que continuaran su trabajo de investigación.

En el año 1962 Nick Holonyack, investigador de la empresa General Electric en aquel momento, redescubrió cristales semiconductores que podían emitir luz roja cobinando arsénico, galio y fósforo, y en ese momento el descubrimiento adquirió notoriedad mundial. Creó los primeros LED emisores de luz roja, con una frecuencia de unos 650nm y una intensidad de 10 milicandelas.

Este primer LED tenía dos ventajas muy importantes sobre otras fuentes de luz conocidas hasta el momento: la luz era fría y el tiempo de vida de los productos era elevado, lo que los hacían ideales para indicadores de aparatos de reducidas dimensiones y portátiles como calculadoreas, relojes, etc.

Investigaciones posteriores que incluían la combinación de diferentes elementos, fueron añadiendo LED de otros colores diferentes a los ya existentes y en los años 90 se produjeron LED con Alumino, Índio, Galio y Fósforo que podían conseguir una amplia gama de colores y una durabilidad de unas 100.000 horas aún en ambientes de elevada temperatura y humedad, ya que se había mejorado el encapsulado del LED con resinas más sofisticadas y robustas. Los LED eran utilizados como elementos de señalización en multitud de aparatos.

A pesar de todos los avances conseguidos, faltaba conseguir un LED de color azul, lo caul era muy importante por 2 motivos: poder introducir más información en los paneles de señalización, y tener la terna de colores básicos (Rojo, Verde y Azul) para la obtención de colores por adición (incluso la luz blanca).

A finales de los 90 Shuji Nakaruma, trabajador de la empresa Nichia, consigue crear LED de color azul, y es el momento en el que empiza la gran expansión de esta tecnología en el campo de la iluminación. Hoy en día se conocen más métodos de conseguir luz azul, diferentes del descubierto por Nakaruma.

El útimo gran avance en la tecnología LED, es la aplicación del fósforo no como material dopante de la unión de los semiconductores, sino como recubrimiento de los propios cristales de silicio semiconductores, pudiendo obtenerse multitud de colores con este método e incluso generando directamente luz blanca, sin necesidad de recurrir a la combinación de colores primarios. Los actuales LED utilizados en iluminación, emiten luz azul que el fósforo de su recubrimiento combierte en luz visible de una forma más eficiente.

Los primeros LED eran fabricados manualmente. El posicionamiento del sustrato semiconductor y su encapsulado en resina eran realizado a mano por operarios, por lo que la calidad de los LED y su vida útil era mucho menor de la esperada. La fabricación industrial de los LED hoy en día se realiza depositando sobre un sutrato en capas los distintos materiales que las componen por medio de vapores en una máquina, dando lugar a productos mucho más refinados y de mejor calidad.

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5.2. Ventajas de la iluminación LED

El gran desarrollo de la iluminación LED que se ha producido durante los últimos años, logicamente se sustenta en las ventajas de este tipo de tecnología, que son muchas comparadas con las existentes anteriormente.

Mayor eficacia luminosa.

La tecnología LED puede producir en la actulidad (y cada día aumenta), eficacias luminosas de hasta 200 lm/w, muy superiores a las que se consiguen con otras tecnologías.

Aunque la eficacia luminosa sea elevada, hay que hacer notar que la eficiencia energética no lo es tanto (aunque sí superior al de otras tecnologías). La luz se produce por transformación de la corriente eléctrica en ondas lumínicas. Dichas ondas son también una forma de energía y recordemos que a una longitud de onda de 555nm, 1 w (unidad de energía) equivale a 683 lm (también unidad de energía), por lo que la tecnología LED todavía está muy lejos de hacer un aprovechamiento eficiente de la conversíon.

Con un rendimiento lumínico de 150 lm/w el rendimiento energético es solamente de 150/683 = 0.2196, es decir de apenas un 22%.

Mayor vida útil.

Comparada con otras tecnologías la vida útil de los LED es muy superior.

Aunque los costes de producción en un principio eran elevados, su mayor duración combinada con su bajo consumo los hacía economicamente rentables. En la actualidad la producción masiva de LED ha abaratado sus costes de producción y las ventajas son todavía mayores.

La larga vida de las lámparas LED, también disminuye sus costes de mantenimiento, y las hace especialmente idóneas apra su utilización en lugares de dificil acceso, donde la sustitución de una lámpara puede tener un coste muy elevado.

Solidez mecánica.

Las fuentes luminosas LED no contienen elementos vulnerables o móviles tales como vidrio, filamentos, gases... Las luminarias LED bien diseñadas son bastante robustas y presentan buena resistencia a vibraciones y tensiones macánicas.

Gran variedad de temperaturas de color.

A diferencia de otras tecnologías, con la tecnología LED es posible crear fuentes lumínicas practicamente con cualquier temperatura de color.

Buen índice de reproducción cromática.

El índice de reproducción cromática de un buen LED puede alcanzar valores cercanos al 100%.

Unicamente la tecnología incandescente consigue mejores índices de reproducción cromática que el LED, pero esta ventaja es ampliamente compensada por su mayor durabilidad y menor consumo.

Encendido inmediato.

El LED reacciona inmediatamente a los cambios en el suministro eléctrico y alcanza muy rapidamente su flujo luminoso máximo, y en la mayoría de los casos la conmutación frecuente no repercute en la vida útil.

Esta característica los hace muy adecuados para aplicaciones con encendidos y apagados frecuentes.

Amplio rango de temperatura de funcionamiento.

Aunque la tempertura de funcionamiento incide negativamente en la durabilidad del LED (a mayor temperatura menor vida últil), si es cierto que son capaces de funcionar dentro de un elevado rango de temperaturas.

Los tubos fluorescentes disminuyen drasticamente su luminosidad con la temperatura. A 0ºC el flujo luminoso de un tubo fluorescente es del orden del 50% de su valor nominal. Esto no ocurre con los LED, que mantinen mucho mejor sus características en función de la temperatura ambiente, y los hace idoneos para su utilización en lugares como cámaras frigoríficas.

Amplio rango regulación.

El LED puede regularse de manera eficaz en un amplio intervalo (casi dede 0% al 100%) y controlarse de forma dinámica con métodos de regulación bien conocidos como DALI o 1-10V.

Con una modulación completa, el consumo de energía residual puede bajar hasta el 10% del consumo nominal, y esto los hace ideales para su instalación en entornos programados y dinámicos.

Respetuosos con el medio ambiente.

El análisis del ciclo de vida de los LED (impacto ecológico desde su producción hasta su reciclaje), los sitúa como el de menor huella ecológica en comparación con otras fuentes de luz.

Una ventaja muy importante frente a la tecnología fluorescente es la ausencia de mercurio, material altamente contaminante y presente en los tubos fluorescentes.

Ausencia de radiación infraroja y ultravioleta.

El haz de lud LED apenas contiene radiaciones infrarojas y ultravioletas, lo que los hace muy adecuados en lugares donde es necesario evitar este tipo de radiaciones (museos, tiendas de alimentación,...).

Aunque el LED genera calor, con un buen diseño de la luminaria, lo dirige hacia su parte trasera, lejos del objeto que se desea iluminar.

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5.3. Elipse de MacAdam (Agrupamiento)

Una elipse de MacAdam es una región del diagrama cromático, dentro de la cual los diferentes colores son indistinguibles para el ojo humano medio. El contorno de dicha región (que es una elipse) representa las diferencias perceptibles de cromaticidad con respecto a su punto central.

MacAdam realizó un experimento con observadores humanos que tenían que hacer coincidir un color que era ajustable por ellos mismos, con un color de prueba. El ajuste por supuesto no fue perfecto, ya que el ojo humano como cualquier otro instrumento tiene una precisión limitada. MacAdam encontró que todos los ajustes realizados por los observadores estaban contenidos dentro de una elipse en el diagrama de cromaticidad CIE 1931. Las mediciones se realizaron en 25 puntos de dicho digrama, y el tamaño y orientación de la elipse varia dependiendo del color de la prueba.

Por tanto, pequeñas variaciones de color dentro de dicha elipse, resultan inperceptibles.

Por otra parte, considermos el proceso de fabricación de los led, en el que finísimas capas de impurezas se depositan mediante sublimación sobre materiales semiconductores. El propio proceso de fabricación no es capaz de asegurar una uniformidad al 100% de todos los LED, ya que una pequeñísima variación del material dopante producirá LED con características diferenciadas.

Los fabricantes de LED "agrupan" los LED producidos según sus características lumínicas resultantes. Logicamente los LED que tengan una pequeña variación de color dentro de una elipse de MacAdam, son indeferenciables para el ojo humano y se considera que pertenecen al mismo grupo.

Los fabricantes pueden ser más tolerantes a la hora de agrupar los LED resultantes, y si aumentan el tamaño de la elipse de MacAdam a 2, 3, 4... veces su tamaño original, resultan grupos de LED más heterogeneos en cuanto a sus diferencias de color, pero perfectamente utilizables. Cuanto menor sea la elipse de MacAdam (o agrupamiento), mayor será la calidad del LED en cuanto a su uniformidad, y también consecuentemente mayor su coste de produccion.

En la práctica, valores de 2 o inferiores son de excelente calidad, por encima de 2 y hasta 4 se consideran de buena calidad, y en valores superiores de agrupamiento ya empieza a haber diferencias muy facilmente distinguibles.

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5.4. Vida del LED

En las tecnologías de producción de luz tradicionales, las vidas esperadas para las fuentes de luz tienen un valor que hace posible su ensayo en tiempo real para poder determinar su duración. Una lámpara incandescente tiene una vida útil aproximada de 1.000 horas (algo más de 3 meses), y es posible realizar ensayos durante este relativamente corto periódo de tiempo, para determinar su vida útil, que recordemos que se establecía como el tiempo durante el cual la fuente luminosa produce luz por encima del 80% de su valor nominal.

La tecnología LED, con su larga vida útil ha complicado la determinación de dicho parámetro. Una vida útil de 50.000 h equivale a un periódo de casi 6 años, y es imposible realizar pruebas durante tan largos periódos de tiempo, más aun teniendo en cuenta la velocidad a la qe avanza dicha tecnología. Cuando terminaran los ensayos de un determinado LED, no serían de utilidad, ya que dicho LED seguramente ya no se estará produciendo por la industria.

Para soslayar este problema, los LED se ensayan normalmente según la normativa denominada LM-80 de la Asociación de Ingeniería de Iluminación (IES) de los EE.UU, por periódos de tiempo relativamente cortos, y mediante la normativa del IES TM-21 se extrapolan los resultados para periódos de tiempo más largos.

Normalmente y siempre que los LED no se sometan a formas muy anormales de funcionamiento, no fallan de forma catastrófica, sino que pierden luz de manera gradual a lo largo de su ciclo de vida. Diversos estudios han concluido que la mayoría de los usuarios consideran la iluminación suficiente cuando se mantiene por encima del 70% de su valor inicial, por lo que diferentes organismos han establecido el 70% como valor recomedable de la vida útil para productos de iluminación general, que se indica con el término L₇₀.

En el caso de la iluminación simplemente decorativa, el criterio de los usuarios es menos estricto, y para este tipo de iluminación se admiten valores L₅₀ (flujo luminoso por encima del 50% del valor inicial).

El porcentaje de flujo luminoso (L_xx) siempre se indica acompañado del denominado porcentaje de fallo (B_xx). Este porcentaje de fallo es la porción de los LED que han decaido por debajo del flujo luminoso considerado.

De esta forma un indicador de vida útil de un LED de por ejemplo:

50.000 h L₇₀B₄₀

indica que transcurridas 50.000 horas el 40% de los equipos tendrán un flujo lumínico por debajo del 70% de su valor inicial (o nominal), sin considerar los led que han fallado, que son retirados del ensayo.

Al determinar la vida últil de esta manera, no se tienen en cuenta los LED que han fallado (no emiten luz). Sin embargo, a los usuarios si que les importan los LED que han dejado de funcionar. Cuando se tienen en cuenta dichos fallos, el segundo parámetro se indica con la letra F (en lugar de la B), haciendo referencia el efecto combinado de todos los componentes de un módulo (incluyendo los mecánicos y les eléctricos) en lo que respecta al flujo luminoso. El efecto sobre un LED puede ser de reducción de su flujo (L_xx) o incluso de no emisión de luz debido a un fallo catastrófico.

Así por ejemplo un indicador de vida útil de un LED:

60.000 h L₇₀F₁₀

indica que transcurridas 60.000 horas el 10% de los equipos tendrán un flujo lumínico por debajo del 70% de su valor inicial (o nominal) incluídos los que han fallado (flujo 0).

Los valores que se indican para la vida útil del LED se determinan en "condiciones de laboratorio", es decir: temperatura constante de 25ºC, un ambiente limpio, ausencia de vibraciones... Estas condiciones en la práctica no van a ser a las que esté sometida la luminaria. En particular la temperatura ambiente tiene una gran influencia sobre la durabilidad del LED, y por ello en algunas ocasiones se indica la vida útil del LED a diferentes temperaturas.

80.000 h L₈₀F₂₀ 25ºC

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5.5. Seguridad fotobiológica

La radiación lumínica puede producir efectos adversos en la piel y en los ojos. Recordemos que en el espectro de radiación producido por una fuente luminosa, pueden producirse ondas el la zona ultravioleta y en la infraroja. La zona infraroja produce calor y la zona ultravioleta provoca efectos dañinos en la piel, por lo que es necesario limitar (o al menos conocer) los riesgos inherentes a cada lámpara.

La luz producida en un LED apenas contiene zonas del espectro ultravioleta e infrarojo, por lo que no es peligrosa para la piel. La mayoría de los led están basados en un chip azul recuvierto de un material fluorescente que produce longitudes de onda más largas. A consecuancia de ello, el espectro de emisión de un LED blanco está formado por un pico primario estrecho en la zona azul y un pico secundario más ancho en la parte amarillo-naranja-rojo del espectro.

La lud azul puede producir daños en la retina, dependiendo de la dosis acumulada de dicha luz.

La norma EN 62471, establece un método para determinar si una lámpara conlleva riesgos de daño oculares o dermatológicos. Establece una clasificación de las lámparas en cuatro grupos de riesgo para la luz azul:

Cuando la fuente lumínica pertenece al grupo 2 ó 3, debe indicarse obligatoriamente.

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5.6. Parpadeo (Flickering)

La corriente continua no sufre oscilaciones, pero la corriente alterna que utilizamos para alimentar las fuentes de iluminación, tiene una frecuencia de 50Hz, lo que hace que la corriente transite de negativo a positivo (pasando por cero) 50 veces por segundo.

Los LED son alimentados por corriente continua y es el driver de las luminarias el que convierte la corriente alterna en continua, pero dificilmente es capaz de eliminar la totalidad de las oscilaciones de la corriente, por lo que las lámparas sufren continuos cambios de corriente que producen un parpadeo (flickering en inglés) en las mismas. El paparpadeo, si es escesivo, produce agotamiento, nerviosismo, dolores de cabeza... por lo que es necesario limitar el mismo.

Las teconologías incandescentes sufren menos este efecto, ya que el filamento mantiene su incandescencia por inercia térmica entere los diferentes ciclos de la corriente y su efecto no es perceptible. En las fuentes de luz fluorescente, el gas y el fósforo tienen también cierta perdurabilidad, aunque menos que las incandescentes, y también muestran el efecto de parpadeo. Los balastros electrónicos de los tubos fluorescentes hacen funcionar a los mismos con corrientes por encima de los 20Khz, y a esta frecuencia el ojo humano no percibe los efectos del parpadeo. Los LED tienen un rápido encendido y apagado, no existe inercia térmica (como en el caso de la incandescencia) y el efecto del parpadeo es más acusado.

El parpadeo está limitado por las normas EN 12464-1 (interior) y EN 12464-2 (exterior). Existen dos formas de medir el parpadeo: el porcentaje de parpadeo, y el índice de parpadeo. El primero es es una medida relativa de la variación cíclica en el flujo luminoso de una fuente de luz, mientras que el índice de parpadeo corresponde a la relación entre al área situada por encima del flujo luminoso medio y el área total de la curva de flujo luminoso para un único ciclo.

El porcentaje de parpadeo no tiene en cuenta la forma, el ciclo de servicio y la frecuencia, por lo que a pesar de ser la media utilizda en la industria, no tiene en cuenta todos los posible parámetros del parpadeo.

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5.7. Reemplazabilidad

Con la aparición el el mercado de las luminarias con tecnología LED, ha surgido una nueva problemática que el propio Reglamento Delegado UE 874/2012, sobre clasificación energética, también considera.

Con las tecnologías utilizadas antes de la fuerte implantación del LED, la práctica totalidad de las luminarias disponían de bombillas (incandescentes, fluorescentes, halógenas, ...) fácilmente sustituibles. El final de la fuente de luz (bombilla) no significaba el final de la luminaria, ya que el usuario podía sustituir esta facilmente. Con la aparición en el mercado de la tecnología LED, han surgido luminarias que incorporan módulos LED que no pueden ser sustituídos por los usuarios de manera fácil, o que solo pueden ser sustituidos por el propio fabricante, lo que en la práctica se transforma en el que el final de la fuente de luz es el final de la luminaria.

Los fabricantes han de indicar si la fuente de luz es sustituible o no, y en caso de serlo si dicha sustitución puede ser realizada por el usuario o sólo puede ser hecha por el fabricante

La etiqueta energética definida en el Reglamento Delegado UE 874/2012 y que debe acompañar a dicha luminaria, ha de indicar la reemplazabilidad de la fuente luminosa.

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5.8. El consocio Zhaga

Historicamente hablando la industria de la iluminación siempre trabajó con fuentes de luz estandarizadas, las bobillas siempre fueron intercambiables entre los distintos fabricantes, con formas, dimensiones y características bien definidas. Con la rápida irrupción en el mercado de la tecnología LED, esta estandarización se ha perdido en un principio, y es difícil la sustitución de una fuente de luz LED por otra, aunque se está trabajando en eliminar estos problemas.

Zhaga es un consorcio global de empresas de la industria de la iluminación en todo el mundo. Su objetivo es el desarrollo de requisitos técnicos que permitan la utilización de fuentes de luz LED de diferentes fabricantes de forma intercambiable, sin necesidad de modificar el diseño de la luminaria.

El consorcio Zhaga fue fundado a principios del año 2010 por unas 22 empresas del sector, y en la actualidad agrupa a más de 100 compañías de todo el mundo.

Los productos cdertificados por Zhaga, disponen de su propio logotipo.

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