FOCOS LED, FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS Y EFICIENCIA
INTRODUCCIÓN En la actualidad varios científicos y catedráticos de diferentes centros de investigación alrededor del mundo, preocupados por los efectos de los cambios climáticos, se han visto en realizar pruebas y avances tecnológicos en todo lo que concierne a la iluminación, sea esta pública, domiciliaria, decorativa, etc. Como resultados de estas investigaciones tenemos los llamados módulos de iluminación LED potentes y de bajo costo que puedan ser usados en grandes recintos y en vías públicas. Los sistemas de iluminación por Leds tienen el potencial de reducir el consumo de energía entre un 25 y un 50 por ciento, dependiendo de la aplicación. La tecnología de los Leds conquistó el sector de los displays de aparatos electrónicos a partir de los años setenta, pero ahora estamos al inicio de una nueva revolución, con cada vez más Leds siendo usados en semáforos y en luces de automóviles. Mientras que las lámparas de vapor de sodio de alta presión, de uso común en el alumbrado público de gran parte de nuestro país, brinda una eficiencia de 85 lumens por vatio, la tecnología LED va camino de superar los 150 lumens por vatio y esta última cifra se está incrementando a medida que se progresa en el desarrollo de semiconductores. Por otra parte, el mercurio utilizado en sistemas más antiguos de alumbrado implica peligros medioambientales. Al mismo tiempo que se disminuye el consumo de energía y los costos generales de operación, la iluminación por Leds en las calles tiene el potencial, según los investigadores, de reducir la contaminación lumínica hasta el punto de que el resplandor que emana de las grandes ciudades propagándose hasta vastas distancias, será cosa del pasado. Gracias a su mayor longevidad, los Leds de farolas y semáforos necesitarán ser reemplazados con menos frecuencia, lo que potencialmente disminuirá los problemas de tráfico y las facturas de las entidades públicas locales. La longevidad del módulo de Leds propuesto supera las 50.000 horas si se utiliza para el alumbrado callejero, aproximadamente 4 veces más que la iluminación pública convencional.
OBJETIVOS
Conocer el funcionamiento, características
Conocer las aplicaciones y eficiencia de los focos LED.
Conocer las ventajas y desventajas de utilizar los focos LED.
TECNOLOGIA LED O FOCOS LED 1. Definición.La tecnología conocida como LED (por sus siglas en inglés, Light Emitting Diode, que en español significa Diodo Emisor de Luz) también conocida como Diodo Luminoso consiste básicamente en un material semiconductor que es capaz de emitir una radiación electromagnética en forma de Luz. El LED al ser semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo. A fines de los años 90, ciertos desarrollos han llevado a la creación de Leds de luz azul y de luz blanca, indispensables para el uso en iluminación general y pública. Últimamente, se han generado avances en la obtención de Leds de muy alta luminosidad, llegando a sobrepasar a las lámparas halógenas en su relación luminosidad-potencia, con un menor consumo de energía y una mayor vida útil.
1.2.- Funcionamiento El funcionamiento consiste en que, en los materiales semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía se manifieste en (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando
Al polarizar directamente un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; de manera que los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p, produciéndose por consiguiente, una inyección de portadores minoritarios. En la fig. 01 y 02 se muestran la polarización directa de un diodo y su funcionamiento físico.
Fig. 01.
Fig. 02. Cuando estos portadores se recombinan, se produce la li beración de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor. La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de l a luz emitida.
1.3.- Partes Principales de un LED Común 1.3.1.- El Chip.- El chip es el corazón de una lámpara LED. Es una pieza de un material semiconductor (normalmente de cristales de silicio o galio) de unos 5 milímetros de grosor, capaz de generar luz cuando se le aplica corriente eléctrica. Sobre esta base de silicio se depositan en forma de capas diferentes materiales como el fósforo, cuya mezcla es la que da el color y la calidad de la luz. Usualmente el chip se protege del exterior mediante una carcasa de resina o policarbonato semirrígida.
Es conveniente que antes de comprar una luminaria LED investiguemos y preguntemos por el fabricante del chip que se ha instalado, ya que de esa pequeña pieza dependerá en gran medida la calidad y duración de nuestra lámpara.
1.3.2.- El Driver.- Los LED no se conectan directamente a la corriente como una bombilla incandescente, sino que requieren de una fuente de alimentación previa (o convertidor de tensión), por lo que el aprovechamiento real de la energía eléctrica de un LED depende también en gran medida de este convertidor. Una fuente de alimentación apropiada influye en la eficiencia y la estabilidad de la luminaria.
El aprovechamiento real de la energía eléctrica consumida se mide por el valor del factor de potencia (PF o Power Factor o Factor de Poder). Si el valor es igual a 1 significa que toda la electricidad que llega a la fuente de alimentación se ha aprovechado. Si es de 0,5 quiere decir que la mitad de energía eléctrica se ha desaprovechado en la conversión. Usualmente de un driver de calidad se espera a que el valor sea superior a 0,9.
1.3.3.- Placa Base.- Es la placa de circuito impreso o PCB (Printed Circuit Board), que soporta las conexiones de los componentes electrónicos, como las conexiones del chip (normalmente mediante hilos de oro) y las vías de disipación del calor. Según el sistema de evacuación del calor utilizado puede componerse de distintas capas y materiales (principalmente aluminio y cobre además de otros materiales conductores).
1.3.4.- El Sistema de Gestión Térmica.- La disipación del calor es una de las claves de la duración de un LED. Es importante explicar que los LED no emiten calor y de hecho pueden tocarse cuando están encendidos sin peligro de quemarse los dedos. Pero eso no significa que no lo generen. Es decir, el calor, al contrario que un foco incandescente, sale en la dirección contraria a la luz, lo que influye en la duración y funcionamiento de la lámpara LED. Por este motivo es necesario disipar ese calor, ya que hasta el 70% de la energía puede llegar a perderse.
Una buena disipación del calor alargará la vida del chip. Para lograrlo, son claves los materiales empleados y un diseño que favorezca esta disipación. Los disipadores de calor son fabricados de materiales como el aluminio, el cobre y la cerámica y poseen superficies amplias y alas que promueven la rápida disipación de calor. Además de influir en la durabilidad, el calor también puede afectar al color y a la calidad de la luz, de ahí la importancia de una correcta disipación. Recientes avances tecnológicos en la producción de plásticos termo conductivos han permitido que este material sea utilizado como disipador de calor, reduciendo los costos de producción.
1.3.5.- Lente Óptico.- La óptica secundaria es el conjunto de lentes exteriores que determinan la distribución de la luz emitida por el LED. La norma y composición de las lentes que forman la óptica secundaria puede variar en función de las necesidades de iluminación y distribución de la luz que se requieran. De esta forma, según la forma de la lente, el haz de luz puede hacerse converger o divergir. Es decir, el ángulo de luz puede ser grande o pequeño dependiendo del lente óptico que utilice la luminaria LED. Por esta razón, es conveniente contar con el asesoramiento de un profesional que nos aconseje sobre qué tipo de óptica secundaria es más conveniente para el uso que vamos a dar a nuestra instalación LED.
1.4.- TIPOS DE LEDS 1.4.1.- Led Común.- Se han utilizado y se utilizan en la mayoría de los electrodomésticos, ya sea como emisor o receptor de infrarrojos o como pilotos luminosos. Actualmente se están utilizando para señalización vial, como
semáforos, consiguiendo el tan ansiado ahorro energético en las entidades públicas.
1.4.2.- LED SMD.- Se trata de un LED encapsulado en una resina semirígida y que se ensambla de manera superficial. Esto le ofrece ciertas características muy interesantes para todo el mundo de la iluminación: - Su encapsulado permite una gran superficie semiconductora, lo que proporciona una gran cantidad de luz mejorando la calidad del LED. - Una forma de instalación es colocarlos en serie sobre algún circuito impreso (montaje superficial o SMD) para crear una luminaria o bombilla. Aunque se dañe alguno de estos LEDS, cuentan con un dispositivo que los suplen para que los demás sigan funcionando a pleno rendimiento. - Permiten una amplia variedad de colores, según el material semiconductor que se utilice en su fabricación. En su modelo RGB, utiliza tres LEDS con los colores primarios, con lo que puede desarrollar hasta 16 millones de colores mediante la mezcla aditiva. El usuario puede seleccionar el color deseado mediante un mando a distancia o controlador, subir o bajar la intensidad de la luz y hacer increíbles efectos luminosos. - El índice de reproducción cromática (CRI) es alto, de hasta el 80%. Esto quiere decir que reproduce los colores fielmente. - Al no tener filamento, ron resistentes a los golpes y es realmente complicado
que se averíen. El tiempo estimado de vida útil de un LED SMD ronda las 50.000 horas, o lo que es lo mismo, casi 6 años funcionando las 24 horas del día. - No generan calor - Utilizando una óptica adecuada, podemos concentrar mucho la luz del LED o bien expandirla para iluminar más superficie. Cuanto más abramos el haz, menos intensidad de luz tendremos. - El nombre del LED SMD suele ir acompañado de las medidas del encapsulado. De esta manera, los que más se han estandarizado (hablamos siempre para iluminación) son el SMD 3528 y el SMD 5050
1.4.3.- LED COB.- El LED COB corresponde a las siglas "Chip on board" ("chip en la placa"), en el cual se han insertado multitud de LEDs en un mismo encapsulado. Este tipo de LED se está imponiendo poco a poco en el mercado por encima del SMD. El motivo principal es que nos proporciona más rendimiento lumínico: esto quiere decir que con la misma potencia y tamaño, el LED COB aporta mas luz que
el SMD. Ésto dota al LED COB de ciertas ventajas: - Al proporcionarnos más luz, no necesitamos concentrar tanto el haz de luz para conseguir suficiente intensidad lumínica. De esta manera, hay muchos productos con este tipo de LED que emiten con un ángulo de apertura de hasta 160º. - El LED COB tiene un mayor IRC (índice de reproducción cromática) que el SMD, por lo que conseguimos una luz de mayor calidad. En la mayoría de los casos, el IRC es mayor de 90.
1.5.- Aplicaciones de los LEDS Su aplicación está extendida a una gran cantidad de tecnologías, siendo generalmente utilizados para su función primitiva de iluminación y siendo un perfecto indicador debido a su baja necesidad de energía eléctrica y su alta perdurabilidad, introduciéndose inicialmente como un pequeño punto luminoso de color rojo con una baja intensidad lumínica. Sus ventajas sobre las fuentes de luz incandescente y fluorescente, tales como el bajo consumo de energía, su mayor tiempo de vida, tamaño reducido, resistencia a las vibraciones, reducción de emisión de calor y su mayor limpieza debido a la utilización de mercurio han sido la principal motivación para el cambio hacia la tecnología LED. Pero no sólo eso, sino que también se han descubierto más usos fuera de la iluminación que hacen de la tecnología LED algo más sorprendente y práctica de lo que se pensaba.
Trasmisión de datos: algunas investigaciones han arrojado que las bombillas LED pueden funcionar también como módem de una red wi fi, por lo que éstas se están enfocando en desarrollar la tecnología que les permita hacerlo del todo.
Light Fidelity: lo que podría ser el sustituto del Wi-Fi totalmente desarrollado a base de tecnología LED. Es un sistema de pulsos luminosos por el cual se transmiten los datos de la misma manera que a través del código binario.
Conservación de arte: también se ha afirmado que los LEDs blancos disponibles en el mercado son menos dañinos para el envejecimiento de las obras de arte, incluyendo lámparas fluorescentes, incandescentes y la misma luz del día.
Son más ventajas de sustituir la tecnología actual por una que parece ayudar a muchas más situaciones de las que se pensaron en un inicio. La tecnología LED es el futuro de la energía y poco a poco lo sigue demostrando con el paso del tiempo.
1.6.- EFICIENCIA DE LOS LEDS Hoy hablaremos de una de las principales características de los dispositivos LED, su eficiencia, definida bajo el término “ rendimiento lumínico”, factor clave hoy en día
por el efecto positivo que tiene en el equilibrio energético y ecológico. Vamos a comenzar por tratar de definir que es el “ rendimiento lumínico ”. El
rendimiento lumínico es el cociente entre el flujo luminoso emitido por una fuente luminosa y la potencia consumida por dicha fuente; un valor que se mide en lumen por vatio (lm/w). Es un hecho que el rendimiento de los dispositivos de iluminación eléctricos actuales ha experimentado una curva de desarrollo impresionantemente veloz desde que estos fueron inventados. Hagamos un poco de historia.
En la época pionera de la luz eléctrica; siglo XIX, década de los 80, nació la famosa bombilla, hoy prácticamente prohibida. Este gran invento de Edison ha sido el emblema luminoso por excelencia de la época moderna y presenta un
rendimiento lumínico muy modesto; a penas 16 lm/w, un valor no demasiado alto si lo comparamos con su descendiente, la fluorescencia. La fluorescencia ha ido evolucionando en cuanto a valores de rendimiento lumínico se refiere. Empezó a brillar con una potencia admirable para su época, 50 lm/w; valor que se consigue duplicar en los siguientes 60 años alcanzando el nivel de 100
lm/w. A partir de los años 60, gracias a la rápida aceleración que ha sufrido la investigación tecnológica, el LED se desarrolla a la velocidad de la luz; comparada con las décadas o siglos que abarca la historia del desarrollo. Los LED de luz blanca se comercializan por primera vez en 1996 como dispositivos luminosos. La evolución de su rendimiento ha sido espectacular; pasando de un rendimiento de 5 lm/w en sus inicios a los 150 lm/w de hoy en día. Viendo la evolución de sus predecesores a lo largo de la historia podemos afirmar que el LED se ha hecho con el récord absoluto; se ha convertido en la fuente de luz blanca con el mejor rendimiento lumínico de la historia. Pero hoy por hoy este record es algo temporal pues, aunque teóricamente los LED pueden alcanzar un valor de unos 260 lm/w, este valor ya prácticamente se alcanza en laboratorio, con resultados de 250 lm/w.
El fascinante y rápido progreso que ha experimentado la tecnología LED en términos de eficiencia, flexibilidad y posibilidades de aplicaciones va acompañado también de una historia de éxito económico igualmente fascinante. En el 2010 la soluciones LED representaban el 10% del mercado de iluminación global con una
estimación del 50% para este 2015. En el 2020 se espera que finalmente sea el amanecer total de la era del LED, con una representación en el mercado del 90%.
1.6.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA UTILIZACIÓN DE LOS LED 1.6.1.- Ventajas Medioambientales:
Los LEDS deben cumplir la normativa CE y ROHS (“Restriction of Hazardous Substances”) Restricción de sustancias peligrosas según
directiva 2002/95/CE .
No contienen mercurio ni otros metales pesados. Al ser más eficientes producen menos emisiones de CO2 para conseguir la misma iluminación.
No generan tanto calor como las tradicionales con el consiguiente ahorro en climatización.
Alto Índice de Reproducción Cromática (IRC: es una medida de la capacidad que una fuente luminosa tiene para reproducir fielmente los colores de varios objetos en comparación con una fuente de luz natural o ideal, cuanto más elevado más reales son los colores)
Menor contaminación lumínica, ya que la luz que emite el LED siempre va direccionada, con lo que se evita en el caso de farolas villa, iluminar hacia el cielo.
Su larga duración implica una menor necesidad de materias primas para lámparas de sustitución.
Sin radiación Infrarroja ni Ultravioleta.
1.6.2.- Ventajas económicas Son las que surgen como consecuencia de las ventajas ambientales:
Menor consumo que las lámparas tradicionales (fluorescente, incandescentes, halógenas, bajo consumo). Con reducciones que van desde el 65% para los f luorescentes, hasta más del 80% para halógenas e incandescentes y el 50% en las de bajo consumo.
Amortizaciones bastante rápidas menos de 3 años de la inversión por el ahorro obtenido en la iluminación.
Elevada durabilidad desde las 15.000h hasta las 50.000 horas, dependiendo de la calidad del LED.
Mantenimiento del Flujo Luminoso sobre el 70% original durante su vida útil.
Reducción del coste de reposición y en consecuencia de mantenimiento, nos ahorramos la nueva lámpara y la mano de obra de sustituirla.
Encendido inmediato, desaparecen las pérdidas de tiempo esperando a que la lámpara alcance la temperatura adecuada, o se encienda correctamente.
Ajuste de la iluminación a nuestras necesidades, tanto en cantidad como en intensidad, existe la posibilidad de que sean dimables.
No requiere sustitución del portalámparas existente, es suficiente con realizar un sencillo recableado.
Tras su instalación no requiere de la cubierta protectora, ya que la mayoría de los LEDs están fabricados de Aluminio y plástico, de forma que en caso de rotura, no cae ningún fragmento sobre alimentos o personas.
1.6.3.- Ventajas en Diseño y arquitectura
Máxima flexibilidad en el diseño, existen LEDs de todos los tamaños y con casi cualquier diseño.
Amplia gama de tonos desde los 3000K hasta los 7500K, sin olvidar el gran juego que da el RGB.
El arranque es inmediato obteniéndose el 100% del flujo luminoso tras el encendido.
Mejora la eficiencia del sistema al emplearse Luz directa A diferencia de las luces fluorescentes, los LEDs son más eficientes en ambientes con bajas temperaturas. Los LEDs no tienen problemas de encendido en ambientes fríos y
Son fuentes de luz fiables en el exterior.
Robustez y seguridad frente a vibraciones.
La dispersión de luz fuera de donde se desea es mínima, debido a la direccionalidad de los LEDs.
La regulación es total, sin cambio de color.
Posibilidad de cambios de colores en una misma lámpara.
Pueden usarse ópticas de plástico de alta eficiencia que permiten una mayor luminosidad.
Múltiples posibilidades para decoración.
1.6.4.-Desventajas del LED
Su mayor enemigo son las altas temperaturas, a partir de 65º la mayoría de los LED se estropean. No solo debemos vigilar el LED si no la electrónica que lleva asociada, que suele romperse antes que el LED. ALROMAR comercializa lámparas LED con posibilidad de sustitución de la electrónica.
Requieren una elevada disipación térmica, si bien generan menos calor que las convencionales, el que genera es muy importante disiparlo, para ello es vital que los disipadores sean de aluminio y con mucha superficie de disipación. Nos garantizará mayor tiempo de vida de la lámpara.
El precio en comparación con las convencionales es bastante elevado.
En potencias grandes a partir de 100W, es muy poco competitivo siendo su coste muy elevado, existiendo otras alternativas como la Inducción Magnética.
La gran oferta de este tipo de productos hace difícil la elección de compra, se debe tener cuidado con los proveedores seleccionados, existe un gran intrusismo en el sector.
Para iluminación en el sector de alimentación, nosotros aún no hemos conseguido con LED la luz que generan los Philips MASTER TL-D Food , para que carne y la fruta parezcan más apetecibles.
CONCLUSIONES
Dentro del trabajo realizado se pudo conocer el funcionamiento, características de los focos LED y además de conocer las aplicaciones y eficiencia de los focos LED.
Otra
de las ventajas que se observo era el cuidado del ambiente en este
aspecto la tecnología LED, es un paso fundamental para colaborar con el
cuidado del medio ambiente y energía y sin duda será la elección obligada de las próximas generaciones en materia de iluminación.
Además del alto rendimiento de los leds tenemos que tomar en cuenta su fácil instalación y su mantenimiento, por lo que en nuestros estudios posteriores deberíamos tomar muy en cuenta esta tecnología que va a revolucionar la industria de la iluminación.
BIBLIOGRAFÍA
https://www.mastermagazine.info/termino/5554.php
http://maviju.com/productos/iluminacion-led/partes-que-conforman-un-led/
http://www.menoswatios.com/tipos-de-led.html
http://www.isbmex.com/la-tecnologia-led-y-sus-diferentes-usos-yaplicaciones
http://www.iluminacionalve.com/la-eficiencia-del-led/
http://www.alromar-energia.es/blog/ventajas-y-desventajas-de-latecnologia-led/
http://www.etecno.com.mx/presentaciones/presentacion_general_led.pdf
