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Saboreando la iluminación led

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Lámpara LED tipo foco con rosca E27 compuesta por 7 LED de 2W para un ángulo de difusión de 30º y un consumo de 8 Wh.

La iluminación LED (Light Emitting Diode) se basa en un fenómeno detectado ya en 1923 por el físico Lossew (1903-1942) aunque no sería hasta 1962 que se demostrase que con arseniuro de galio (GaAs) era posible obtener unos elevados niveles de emisión lumínica a partir de las llamadas uniones P-N. Los LED emiten su luz por una propiedad llamada recombinación radiativa. Los primeros LED se fabricaban con arseniuro de galio, pero rápidamente se descubrió que funcionaban cuando se combinaban elementos del Grupo III de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos, con los del Grupo V. Los primeros LED fueron rojos fueron inventados por Nick Holonyak Jr. a principios de los año sesenta para General Electric y contenían arseniuro de aluminio. Más tarde aparecieron los amarillos y verdes reemplazando parte del arseniuro por fósforo. El camino pues para conseguir la luz blanca se había iniciado. Los LED, sin embargo,  como tales no se empezaron a comercializar hasta el 1968 empleándose como indicadores de estado (encendido, apagado, en espera). Los colores habituales, durante años, fueron el rojo, el verde y el amarillo. La industria de la iluminación ha centrado su interés en los LED por tratase de un tipo de iluminación que se caracteriza por su bajo consumo energético y su alta eficiencia lumínica medida en lux (Lx). Un LED puede tener una iluminación de 3.360 lux con 0,03 vatios de luz visible. 

El LED blanco centró la atención de numerosos laboratorios. El Dr. Shuji Nakamura de Nichia Chemical Corporation inventa el Led azul de alto brillo a mediados de los años noventa que será la base para el LED blanco que combina el LED azul y un fósforo para obtener la característica luz blanca con nitruro de galio. En la actualida los LED blancos han alcanzado un rendimiento de más de 100 lúmenes por vatio y con un significativo ahorro de energía.a corporación. En los últimos años los progresos en este campo han sido espectaculares y hoy el LED de espectro total es ya una realidad. La variedad en el color de la iluminación (se mide como grados Kelvin de emisión de la temperatura del color). Así por ejemplo la llamada luz de día está sobre unos 6.000 K, y la de espectro total sobre los 6.500 K. El blanco cálido estaría sobre los 3.000 K. La temperatura del color es la distinción básica que se hace a la hora de escoger una bombilla. De todas maneras, no basta con con el tono de la luz sino que también hay que tener en cuenta el índice de reproducción cromática (Ra). Así nace el índice de los tonos de luz de las lámparas. La iluminación biológica o natural tiene el número 965, la iluminación blanca cálida esta entre los números 830 y 930, mientras que la de tipo blanco sería el 840 y 940. Los LED cumplen con las normativas de iluminación tanto para el hogar como para oficinas. Las  lámparas LED eliminan la necesidad de sustancias peligrosas como el mercurio presente en las lámparas fluorescentes compactas de bajo consumo y tienen una duración de hasta tres veces más que las lámparas convencionales por lo que crean un ahorro adicional en mantenimiento.

A la izquierda una lámpara fluorescente compacta de bajo consumo de 11 W de luz cálida (830), en el centro una bombilla tipo bulbo LED de luz blanca de 3,5 W (840) y a la derecha una lámpara tipo bulbo de 8W de luz blanca cálida pero algo escorada al amarillo.

Imagen de los resultados sobre el ambiente lumínico de las diferentes bombillas empleadas: fluorescente compacta a la izquierda, una lámpara led de luz blanca en el centro y a la derecha de luz cálida de tono amarillo.

¿Qué es un LED?
La estructura de los LED es totalmente distinta a la de cualquier bombilla. Es un componente electrónico (diodo, un dispositivo que permite que la corriente fluya sólo en una dirección) que emite luz. Cuando la electricidad circula por el diodo los átomos que lo conforman (dentro del chip semiconductor) se agitan y pasan a un nivel de energía superior que debe ser liberada y lo hacen en forma de luz. El color de la luz de los LED es la suma del comportamiento de los ingredientes o materiales y de las recetas o procesos que configuran el chip. Para que esta luz sea efectiva al chip se lo envuelve en una lente que amplifique la luz. Dentro de este material encapsulante se encuentra el chip con la lente, y una base que permita disipar el calor generado por el chip al ser traspasado por la electricidad. Los LED tienen como principales ventajas: su elevado nivel de brillo e intensidad y que necesitan poca potencia eléctrica para su óptimo de emisión de luz. Son eficientes y fiables pues resisten golpes y vibración. No emiten rayos ultravioleta y son fáciles de controlar.

Imagen de un led ultrabrillante y esquema de como funciona. Elaboración propia a partir de diferentes fuentes.

Tipologías de lámparas en el hogar
En las diferentes aplicaciones para el hogar se pueden distinguir las opciones de iluminación: las bombillas (bulbs) que distribuyen la iluminación en todo el globo que las contiene, los focos o (spot light) y los tubos fluorescentes (tube). En todas estas tipologías hay diferentes casquillos o roscas de sujeción. Las bombillas de globo, las más habituales en el ámbito doméstico han sido las roscas, la gruesa (conocida técnicamente por rosca E27) y la fina (rosca E14) y con ángulos de difusión de entre 150º a 180º. Sin embargo, en los últimos lustros las lámparas de foco han proliferado por su capacidad de colocar la luz de forma direccional. El ángulo de difusión de la luz también es algo importante en estas. Habitualmente, son de unos 30º hasta 60º.  Las llamadas bombillas dicroicas o halógenas son las más extendidas en este ámbito. Los casquillos más habituales en este tipo de bombillas foco son las llamadas GU10 y GU5.3. Los fluorescentes son tubos de vidrio de diferentes medidas en función de la potencia lumínica. En general, empiezan en los 60 cm de largo con unos 18 W hasta los 150 cm con potencias de unos 58 W. El problema es para mantener la estabilidad de la luz en los tubos fluorescentes se precisa de los llamados balastos, dispositivos electrónicos que pueden sumar hasta 30 W por cada tubo fluorescente encendido. Las llamadas bombillas de bajo consumo o fluorescentes compactas se basan en el mismo principio que los tubos fluorescentes pero con una mayor potencia lumínica por volumen de gas fluorescente. Estas bombillas se han popularizado por su bajo consumo e incorporan el balasto electrónico y se han distribuido esencialmente con roscas fina y gruesa, pero también con pins, pero en este caso, el balasto debe estar en el portalámparas. Sobre estas bombillas fluorescentes compactas al consumo del bulbo hay que añadirle también el del balasto. Sin embargo, esta opción se emplea poco en el ámbito doméstico, pero están muy extendidas en espacios comunales en viviendas y oficinas.

Las lámparas LED son ideales para sustituir también lámparas de bajo consumo. Antes una fluorescente compacta 18 W de bajo consumo, después una bombilla LED de 8 W.

Las lámparas dicroicas o halógenas en el punto de mira de los LED

Las bombillas halógenas, se han extendido por ser baratas, tener una buena iluminación, con diferentes ángulos de foco y un consumo no excesivo. Pero, para su aplicación en el hogar se instalan de forma más bien concentrada para que el haz focal se superponga el de la una con la otra y de este modo den una iluminación más o menos homogénea. Además al ubicarse bajo techo, sin necesidad de portalámparas estéticos, su implantación ha ido acompañada a la expansión de l    dependiendo de la potencia y de la clase de etiqueta energética, se clasificarán de manera similar (consulta la tabla anterior). La gama de bombillas ahorradoras halógenas  que ofrecen los principales fabricantes permiten entre un 40 y un 50% de ahorro de energía. Pero por la forma concentrada en que se usan las lámparas dicroicas halógenas estas acaban suponiendo un importante consumo en según que aplicaciones.

 

El LED al ataque de las halógenas de los spot light
Uno de los avances más espectaculares de las bombillas LED ha sido para substituir a las bombillas halógenas ubicadas en downlights o focos empotrados. Habitualmente, son bombillas halógenas convencionales son de 25 a 50 W que pueden estar conectadas directamente a la corriente alterna (220V) o que en el portalámparas haya un transformador que les aporte corriente continua de 12V. La opción con transformador con bombillas a 12V da una vida útil mayor a las lámparas halógenas ya que estas son muy sensibles a las subidas de tensión y se funden con facilidad cuando están directamente conectadas a 220V en zonas donde la red eléctrica no sea muy estable. Las halógenas "eco" pueden consumir entre 30 y 35 W y dar el equivalente en luz a una de 50 W. El principio de este ahorro no es otro que el de un revestimiento especial en el espejo de la lámpara que convierte el calor de la bombilla en luz y eso permite bajar la potencia de las mismas y de paso les otorga también una mayor vida útil, un 60 % más que las convencionales.

Las lámparas LED con múltiples diodos permiten ángulos de difusión mayores, las hay desde 60º a 120º. Pero también las hay con diodos de alta potencia para ofrecer una luz tipo foco de 30º. Entre 3,5 y 5 W tendríamos el equivalente a una halógena de 25 W.

La tecnología LED tiene un consumo que oscila entre un 70 y un 80 % respecto al de las lámparas halógenas. Una lámpara LED de unos 7-8 W es la sustitución perfecta para bombillas halógenas "eco" de 35 W y su vida útil oscila entre 30.000 a 45.000 horas según el fabricante. Las hay con casquillo GU10 y GU5.3, en tensión de 220V o de 12V. Aunque estas lámparas LED para sustituir dicroicas pueden costar (precios 2010) sobre unos 35 € (frente a los 6-10€  de una dicroica convencional) el ahorro energético las hace absolutamente recomendables y competitivas. Además en aplicaciones directas a 220V, la lámparas spot light LED no se funden con las variaciones de tensión. La calidad de luz, especialmente  en blanco cálido no tiene nada que envidiar a la de una halógena. El calor generado por la iluminación también se reduce con la sustitutas LED y esto en algunos casos es algo importante. 

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Lámpara LED con conector GU 5.3 (a la izquierda) de 12 V y a la derecha lámpara LED con conector GU10 para 220V.

Otro aspecto importante a la hora de sustituir una lámpara halógena es el ángulo de radiación. En la mayoría de las halógenas este se indica en el envoltorio. Las hay de unos 10º hasta 60º. Las más habituales son de unos 30º. Pues bien, también en las lámparas LED disponemos de alternativas para ángulos de radiación o difusión de 30º hasta 60º y 120º. Este es un aspecto muy importante a considerar en el caso de las lámparas halógenas dicroicas y que depende del tipo de portalámparas en las que se ubiquen. En este tipo de lámparas a veces es la propia lámpara la que hace de portalámparas. Pues bien, las lámparas LED de tipo spot light están construidas con el mismo recubrimiento reflectante y al trabajar a temperaturas más bajas funcionan con mayor rendimiento. A menores temperaturas de flujo lumínico y la eficacia es mayor que a temperatura ambiente. Los tubos fluorescentes una iluminación de gran calidad y bajo consumo.
Los tubos fluorescentes son omnipresentes en oficinas, párkings y también en cocinas domésticas. La cantidad de luz que generan por energía consumida es realmente sorprendente (unos 105lm/W). Un tubo fluorescente de larga vida, aunque no son los habituales en el uso doméstico pueden alcanzar las 50.000 horas pero pueden llegar a las 100.000 horas se se optimiza el rendimiento con balastos especiales y ciclos de encendidos largos. Ciertamente, los tubos fluorescentes requieren de un tratamiento adecuado cuando están gastados pues contienen mercurio, fósforo y otros materiales altamente tóxicos. Sin embargo, una instalación de iluminación con fluorescente de calidad puede ser sorprendente. Por otro lado, en los tubos fluorescentes podemos encontrar no sólo iluminación de espectro total sino también capaces de influir en el reloj biológico de las personas alcanzando los 17.000 K de temperatura de color.  Cuando la luz llega a los ojos, atraviesa el cristalino e incide sobre la retina. Aquí, los bastoncillos captan la luz de los ambientes poco iluminados y los conos distinguen los colores rojo, azul y verde. Su función consiste en convertir la luz en señales neurológicas que el cerebro se ocupa de convertir en imágenes. En 2002 se descubrió un tercer receptor, además de los conos y bastoncillos. Mientras los conos y bastoncillos comunican al cerebro estímulos visuales, el tercer receptor tiene una elevada sensibilidad a la luz azul y emite señales neurológicas que facilitan la función del reloj biológico. La empresa Philips ha aplicado este descubrimiento, incorporando una cantidad óptima de luz azul para estimular el tercer receptor. El producto de catálogo son son los fluorescentes Activiva de las argumentan que se ha comprobado un efecto revitalizador para el reloj biológico de las personas.

Los tubos LED a la conquista de los tubos fluorescentes
Pero los tubos fluorescentes tienen además del consumo energético precisan de un estabilizador llamado balasto que añade un extra a la potencia indicada en el tubo. Así por ejemplo, para un tubo fluorescente de 60 cm de largo y 18 W el balasto puede consumir unos 30 W que habitualmente nadie suma al consumo, esta cantidad será la misma para un fluorescente de 58 W y 150 cm. Así pues en el caso de los tubos fluorescentes cortos y de poca potencia los los tubos fluorescentes LED ofrecen una alternativa importante pues se ahorra el consumo del balasto y ahorrar entre un 50 y un 70 %. Los tubos LED de 60 cm (el equivalente al convencional fluorescente de 18 W) se fabrican desde 120 diodos (con 9 W de potenica y 480 Lm) hasta 180 diodos (con 13,8 W y 720 Lm). El número de diodos por tubo se incrementa entre 270 hasta 450 cuando la longitud del tubo es de 120 a 150 cm.

Tubo LED equivalente a un tubo fluorescente de unos 18 W.

Lo interesante de estos tubos no es sólo su menor consumo por que no requieren del balasto y no hay que sustituir el portalámparas (aunque sí que es recomendable desconectar el balasto para que evitemos su consumo). También hay que considerar su facilidad en la gestión una vez acaban su vida útil. Lo cierto es que todavía son caros, pero en los espacios donde hay fluorescentes permanentemente encendidos (rellanos de escaleras, cabinas de ascensor, parkings, etc.) los tubos LED son una alternativa muy recomendable. En cuanto a la temperatura del color los hay también en blanco cálido (entre 2.700 y 3.000 K) y en blanco de luz de día (6.000 K). Pensemos que los tubos fluorescentes habituales ofrecen 500 Lm por cada 10 W. O sea que para un tubo fluorescente de 18 W, su equivalente en LED de 180 diodos ya casi lo alcanza y ofrece una luz más estabilizada que no la del tubo fluorescente.

El problema de la iluminación mundial
La iluminación consume el 19% de toda la energía mundial a pesar de que más de 2.000 millones de personas no tienen luz eléctrica para iluminarse de noche. La gestión eficiente de la iluminación es una de las maneras más sencillas de ahorrar dinero en las facturas de la luz, aunque sólo represente entre un 15 y un 22 % del consumo energético del hogar. Cuando se cambia la iluminación ineficiente por opciones ecológicas de menor consumo, el impacto en la reducción del consumo energético y el ahorro en emisiones de CO2 son inmediatos para el medio ambiente es inmediato y, además, puede que incluso la calidad de la luz mejora. El 8 de diciembre de 2008, los miembros de la UE aprobaron la propuesta de la Comisión de restringir de manera progresiva las bombillas incandescentes en el mercado de la UE. Esta se enmarca en la Directiva EuP 2005/32/EC sobre el diseño ecológico de lámparas ineficientes que obliga a la retirada progresiva de estas. Se calcula que este cambio reducirá en un 30% el consumo de energía de la iluminación doméstica en Europa y, además, luchará contra el cambio climático evitando la emisión de 23 millones de toneladas de CO2 al año.

Los avances en la tecnología LED

La evolución de la iluminación LED es sorprendente. La miniaturización de los chip de alto rendimiento y potencia es prodigiosa. Actualmente se ofrecen soluciones LED para alumbrado público con LEDs de 30 W con una luminosidad de unos 2.000 Lm. Pero ya están en el mercado superLEDs de hasta 100 W, ideales para focos de video, faros de vehículos, etc. que producen una luminosidad de entre 6.000 y 7.000 Lm. Aunque la duración comercial de la mayor parte de las lámparas LED se sitúan entorno a las 30.000 horas, en laboratorio se sobrepasan las 100.000 horas.

Artículo elaborado por el equipo de redacción de terra.org. Fotografías: Fundación Tierra, utilizando lámparas LED de Ledlights.cat

 

actualizado: 
20/12/2010
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