Iluminación LED

Quizás te hayas percatado que en la última década ha ocurrido una revolución en los sistemas de iluminación tradicionales.  Poco a poco han aparecido nuevas soluciones basadas en la tecnología LED para sustituir la mayoría de las luminarias que hasta ahora se utilizaban. Tanto en el entorno de nuestra ciudad, como es el alumbrado público, hasta en nuestro hogar y nuestros vehículos.

La tecnología LED dista mucho de ser nueva. Ya desde los años 60 los diodos LED eran utilizados en la electrónica como emisores de luz infrarroja y más tarde como indicadores lumínicos. Sin embargo, a pesar de que con el tiempo su utilización fue diversificándose no fue hasta hace poco que los fabricantes lograron producir bombillas de luz LED capaces de competir con las ya existentes como las lámparas fluorescentes y halógenas. Valiéndose de las grandes ventajas que brinda esta tecnología y teniendo como principal característica una mayor eficiencia y ahorro de energía, se ha logrado fabricar una gran variedad de luminarias LED que superan a la mayoría de las luces existentes y con precios muy competitivos y en algunos casos inferiores a los de las lámparas tradicionales.

Luz LED, qué es y cómo funciona

Los diodos de emisión de luz o LED por sus siglas en inglés (light-emitting diodes) son dispositivos de estado sólido que convierten la energía eléctrica directamente en luz de un solo color. Debido a que utilizan una tecnología de generación de luz fría, en la cual la mayor parte de la energía es entregada al espectro visible, los LEDs no desperdician energía en otras formas no lumínicas, por lo que apenas generan calor.

Luces LED

Los diodos emisores de luz están constituidos por materiales semiconductores como el Galio, Arsénico, Silicio y Germanio. Los semiconductores pueden ser “dopados”, lo que significa añadir otros elementos dentro del cristal con el objetivo de cambiar sus propiedades. De esta forma es posible crear una región con exceso de electrones (región n) y otra con falta de electrones (región p), lo que se conoce como huecos. La región donde se juntan las dos secciones se conoce como unión p-n y tiene la propiedad de que sólo conduce la corriente en un sentido, lo cual da su principal característica a los diodos. El principio de trabajo mediante el cual se genera luz en los LEDs es conocido como electroluminiscencia. Este fenómeno tiene lugar cuando en un material semiconductor, los electrones se recombinan con los huecos, liberándose energía en forma de fotones.

Cómo está construido un LED

La estructura típica de un LED está compuesta por un diodo montado sobre una copa reflectora y sostenido en su lugar por un marco de plomo que está conectado a un par de cables eléctricos. Todo el arreglo se encuentra encapsulado en epoxy y generalmente tiene una dimensión de unos 0.25 mm cuadrados. Cuando la corriente fluye a través de los dos materiales semiconductores diferentes que forman el diodo se produce luz desde dentro del chip de cristal sólido. La forma o el ancho del haz de luz emitida están determinadas por una variedad de factores, como son la forma de la copa reflectora, el tamaño del chip LED, la forma del lente de epoxy y la distancia entre el chip LED y la lente de epoxy. Además la composición de los materiales semiconductores que constituyen el diodo determinan la longitud de onda, y por tanto el color de la luz emitida.

Composición de un diodo LED

Invención y desarrollo de la tecnología LED

La primera mención que se tiene sobre la invención de los LEDs data de 1927, cuando el inventor soviético Oleg Losev anuncia la construcción del primer LED, aunque en el momento no tuvo ningún uso práctico. En los años siguientes se realizaron varias investigaciones en torno al fenómeno de electroluminiscencia, el cual fue descubierto en 1907, sin embargo no fue hasta 1961 que se realizaron avances significativos.

En el otoño de ese año James R. Biard y Gary Pittman descubren la emisión de luz infrarroja en un diodo túnel construido con un sustrato de arseniuro de galio (GaAs). El descubrimiento se realiza mientras realizaban esfuerzos por  construir un diodo varactor de banda-X de GaAS. Ya en el año 1962 patentan su descubrimiento y en octubre Texas Instruments presenta el primer diodo LED infrarrojo, el SNX-100. Por otra parte el primer diodo LED del espectro visible fue desarrollado por Nick Holonyak en 1962 mientras trabajaba para la compañía General Electric.

¿Usar luces LED en nuestro hogar?

Si aún no estás seguro de si es buena idea cambiar tus luminarias por luces LED, un recorrido por las ventajas y desventajas que posee esta tecnología puede ser de ayuda.

Ventajas de las luces LED

  • Pueden ser energizados utilizando baterías portables o incluso arreglos solares.
  • Pueden ser integrados dentro de un sistema de control.
  • Son de pequeños tamaños y resistentes a vibraciones y choques.
  • El tiempo de encendido es muy pequeño, casi instantáneo y no tienen que calentarse para lograr el máximo de iluminación.
  • Tienen una buena resolución de color.
  • Alta eficiencia energética, transforman alrededor del 90 % de energía eléctrica en luz.
  • El haz de luz que emiten es direccional y uniforme.
  • Reducen la contaminación lumínica y son más ecológicas al no incluir materiales contaminantes como el mercurio.
  • Los costos de fabricación se han reducido siendo incluso más baratos que algunas lámparas tradicionales.
  • Están disponibles en varios colores y la intensidad es regulable.
  • Tienen un tiempo de vida de hasta unas 50000 horas.
  • No producen radiación UV.

Desventajas de los LED

  • La luz azul de los LED puede dañar la salud. Aunque este es un tema que se encuentra en fase de estudio, se ha determinado que la luz azul proveniente de los LED puede dificultar el sueño, por lo que se recomienda dejar de mirar pantallas de celulares y monitores al menos 1 hora antes de dominar.
  • Los LED son sensibles a las altas temperaturas y pueden sufrir daños por lo que deben incorporarse disipadores en la estructura de las luminarias, lo cual incrementa el costo de las mismas.
  • Disminuyen la intensidad luminosa que emiten con el pasar del tiempo.
  • La utilización de elementos de tierras raras en la fabricación de los LED puede incrementar su costo.
  • El proceso de fabricación es más complejo que el de una bombilla tradicional.
  • El voltaje suministrado al LED debe ser mayor que su voltaje de umbral y la corriente menor que el valor nominal del LED. De esta forma es necesario incluir una fuente de alimentación en las luminarias que utilizan esta tecnología.

Aplicaciones de los LEDs

Si bien en sus inicios los LED se utilizaban exclusivamente en la electrónica como indicadores o como emisores de luz infrarroja, en la actualidad su utilización se ha diversificado y podemos encontrar una gran cantidad de estos artefactos de iluminación en casi cualquier parte. Sus usos van desde proveer de luz a ciudades, hogares y vehículos hasta aplicaciones en tecnologías de visualización como son pantallas, semáforos y otras señalizaciones lumínicas.

Señales visuales e indicadores

Gracias al bajo consumo energético, su pequeño tamaño y el bajo costo de mantenimiento de los LEDs ha sido posible utilizarlo en una amplia gama de variantes para brindar información visual. En este respecto tenemos las grandes pantallas LED utilizadas en estadios y en otros ámbitos como decoración o para transmitir mensajes al público. Además en estaciones de trenes, autobuses o aeropuertos son utilizados pantallas LED para brindar información.

Su uso también se ha extendido a las señalizaciones en la vía, donde son utilizadas en los semáforos y otras luces, al lograr una mayor nitidez en el color y una reducción en el costo de mantenimiento de esos dispositivos. Además, debido a su largo tiempo de vida y su rápida respuesta en cambiar del estado encendido al apagado, son ampliamente utilizadas en los vehículos en las luces de frenado y de giro, además de ser ampliamente utilizadas en las luces de conducción diurna por su bajo consumo y gran robustez.

Iluminación

Con el desarrollo de LEDs de alta eficiencia y alta potencia, la tecnología LED llegó  al ámbito de la iluminación. Desde el año 2011 comenzó la carrera por lograr producir luminarias LED que pudieran reemplazar las bombillas existentes hasta el momento y que brindara todas las bondades de los LEDs sin sacrificar o incluso mejorando las prestaciones de las tecnologías de iluminación ya presentes.

Actualmente las luces LED ya son utilizadas en el alumbrado público y en la iluminación de edificios y estructuras en todas las ciudades del mundo, proporcionando su larga duración y alta eficiencia en estos entornos. Por otra parte, también han entrado en nuestros hogares, sustituyendo las luminarias antiguas y otorgando nuevos matices en la iluminación de nuestras casas. Gracias a su pequeño tamaño existen una gran variedad de diseños de lámparas y focos LED que son capaces de satisfacer nuestros requerimientos para lograr las mejores y más modernas decoraciones en el interior y exterior de nuestros hogares.

La gran robustez  y larga vida de las luminarias fabricadas con esta tecnología ha propiciado que los fabricantes hicieran todo lo posible por crear luces apropiadas para nuestros vehículos. De esta forma podemos encontrar una gran variedad de luces para nuestros autos, motocicletas y bicicletas. Además este tipo de luces se han incorporado en el alumbrado y señalización de carreteras y parqueos, así como aeropuertos y helipuertos.

Las linternas actuales y otros dispositivos como las cámaras o nuestros celulares, utilizan como fuente de luz a los LED debido a su pequeño tamaño y al bajo voltaje necesario para hacerlos funcionar. Además es posible incorporarlos en cámaras de seguridad y mejorar la visión nocturna a través de la luz infrarroja.

Otras aplicaciones

Aplicacion de LEDs en tecnología Li-Fi

La variedad de aplicaciones que tienen los LED va mucho más allá de la iluminación. La luz que emiten puede ser modulada rápidamente lo cual es utilizado en las comunicaciones ópticas ya sea por fibra óptica, Li-Fi u otras variantes como es el caso de los controles remotos que utilizan la luz infrarroja de los LEDs. Además, en la electrónica podemos encontrar opto-aisladores que utilizan un LED en combinación con fotodiodos o fototransistores para proveer un camino para  la señal de forma que dos circuitos se encuentren eléctricamente aislados. Esto es especialmente útil en los equipos utilizados en la medicina, donde el paciente tiene que encontrarse aislado de cualquier fuente eléctrica que pueda perjudicar su salud.

Muchos sistemas de sensores utilizan los diodos emisores de luz como fuente de señal. Este tipo de aplicación lo podemos encontrar en videojuegos con sensores inalámbricos que detectan nuestros movimientos o en sistema de alarmas contra intrusos que de igual forma detectan el movimiento por medio de LEDs infrarrojos.