Informe: La iluminación LED, presente y futuro de la iluminación

Bombilla LED con casquillo E27 a 220VAC de 6W

La iluminación por tecnología LED ya es el presente y el futuro de la iluminación, con unos precios que hace unos años las hacía prohibitivas pero que cada vez son más asequibles y con un rendimiento superior con respecto a otras fuentes de iluminación que las hace amortizables rápidamente.
Son recomendables actualmente sobre todo allí donde no se pueden colocar compactas de bajo consumo, como en baños y pasillos (las CFL no aguantan bien apagados y encendidos frecuentes o lugares con bajas temperaturas como garajes):

• La tecnología LED es de muy bajo consumo, con un ahorro del 80-90% con respecto a las incandescentes y mejorando año a año. 
• Ecológica; sin Mercurio ni materiales contaminantes, no emite UV ni infrarrojos. 
• Para toda la vida: Duración entre 20.000 y 50.000 horas, dependiendo de la calidad de la lámpara y sus LED. 
• Luz instantánea, tan rápida como la incandescente o halógena. 
• Pueden apagarse y encenderse tantas veces como se quiera sin reducir su vida útil. 
• Debido a su formato semiconductor, soportan perfectamente vibraciones y golpes; seguirá funcionando aunque se rompa la carcasa, al contrario de las otras tecnologías. 
• Con más lúmenes por cm2 que las halógenas y CFL, y de menor consumo, tienen gran capacidad para miniaturizarse (linternas, televisores, etc). 
• Luz uniforme y sin sombras en la zona iluminada, disponible en blancos cálidos o puros, o de todos los colores, a gusto del consumidor. 
• Diseño sólo limitado por la imaginación gracias a su tamaño compacto y baja temperatura de los LED; la posibilidad de repartir las fuentes de luz como queramos por la lámpara permite diseños innovadores integrados en el ambiente; son válidos para cualquier tipo de uso.
• Al igual que en las CFL, algunos modelos pueden regularse fácilmente variando la intensidad eléctrica aplicada con un regulador. Muy útiles para entornos en los que deseamos una luz dinámica adaptable al entorno (por ej., podríamos programar con Arduino una luz ambiental que se adaptara a la luz que entra por las ventanas, o a la presencia humana, iluminando más allí donde están las personas).

En cambio, sus desventajas, aunque salvables, son:

• El ángulo de la luz de un led es muy dirigida, con un ángulo de luminosidad limitado; hay lámparas con ángulos entre 30 y 240º; para que iluminen lateralmente los fabricantes buscan diseños donde varios LEDS apunten hacia diferentes partes o con modernos reflectores, lo que puede ser un problema de espacio, y encarecimiento de la lámpara, pero que poco a poco se está solucionando con lentes que dispersan la luz o formatos de led menos dirigido.
• Todavía son relativamente caros cuando se trata de sistemas de alta potencia, donde otro tipo de lámparas son casi tan eficientes y más baratas, como las de vapor de sodio (80 lm/W, aunque también más contaminantes y menos duraderas), ya que los ledes requieren disipadores de calor (esto irá cambiando según mejore su eficiencia luminosa). 
• El LED funciona mejor cuanto más blanca es la luz que emite (temp. de color de aprox. 6000K), para obtener luz más amarilla y cálida tienen que mezclar con otro color que disminuye su rendimiento ligeramente.
• Requieren temperaturas menores de 70ºC para mantener su vida útil, por lo que necesitan disipadores de calor eficientes, lo que aumenta su coste. 
• Son de muy larga duración, pero su intensidad lumínica va disminuyendo con el tiempo; para un led con una vida prevista de 25.000 horas, tendrá al cabo de ese tiempo una intensidad de luz de un 70% la original, pero seguirá iluminando; no "se funden" normalmente, sino que se van apagando.
• Los LEDs de alta potencia deben llevar un difuminador de luz adecuado para que, en caso de mirarlos directamente por accidente, no dañen la vista (algunos son más intensos que mirar al sol directamente).

En esta entrada analizaremos la tecnología LED y sus múltiples ventajas, la influencia de su temperatura de trabajo en su duración (desarmaremos una lámpara) y los usos más recomendados actualmente (para los que quieran minimizar la inversión pero aprovechando la tecnología); apostar por los LED es una muy buena inversión, ecológica y muy rentable.

Ahorra con la tecnología LED
Un led no es más que un semiconductor (unión de materiales con propiedades especiales para conducir la electricidad), que convierte los electrones que atraviesan la unión en fotones, es decir, luz.
Dependiendo del material del semiconductor, la luz puede ser verde, azul, infrarroja, ultravioleta, etc.
Para proteger el semiconductor contribuyendo a la disipación de calor tienen una capa de plástico (epoxi normalmente) que puede hacer las veces de lente para concentrar la luz. Más info: Wikipedia.

Fuente: Cree Corp.

La tecnología LED está avanzando rápidamente, hecho que tenemos que agradecer a Shüji Nakamura, inventor del LED blanco y ultravioleta, con el récord actual (2012) de luminosidad en 150 lúmens por vatio (1,7 veces más óptimo que una lámpara fluorescente) por Nichia Corp.
(Sin olvidarnos del inventor del primer LED funcional, Oleg Vladimirovich Lósev, que en 1927 desarrolló el primer LED y publicó el primer estudio sobre ello a partir de sus observaciones con los diodos rectificadores utilizados en radiofrecuencia, aunque sus trabajos quedaron en el olvido hasta el 2007).

Ahora podemos encontrar lámparas led de unos 850 lúmens (equiparable a una tradicional de 60W) por unos 20€, y si tenemos en cuenta su rendimiento (dependiendo de la calidad del LED, pero que es similar a las fluorescentes en la mayoría de los casos), y su duración (una CFL como máximo durará unas 8.000 horas, menos cuanto más se apaga y enciende), y su comodidad (es instantánea), amortizamos una luz led en unos 2 años o menos.

Fuente: Dossier LED

Un LED típico de calidad tiene una vida útil supuesta de unas 50.000 horas, esto es, ¡68 años si se usa 2 horas al día!
 

La temperatura del color
A menos que cambiemos una luz incandescente o halógena por otra LED con la misma temperatura de color, podemos notar una diferencia muy grande en el color de la luz si pasamos de amarillo a blanco casi puro.

Al principio nos puede costar acostumbrarnos a esta diferencia de la temperatura de color de la lámpara, pero realmente  podemos elegir la calidez de la luz de un LED, o cálida (3500ºK), o luz día blanca (6000ºK) (la luz del sol pura tiene una temperatura de 5770K), pero sin embargo debido a su naturaleza lumínica, normalmente reproduce peor los colores que la luz del sol.

El valor CRI (Color Rendering Index) nos indica la calidad de reproducción de los colores por la lámpara; cuanto más cercano a 100, mejor.

En la imagen siguiente, comparativa de una halógena tradicional con otras LED blanco cálido o frío.

Foto:  Bartolomé Genovard

Hay lámparas LED... y lámparas LED

No todas son iguales. Normalmente, y como veremos a continuación, conviene hacerse con lámparas de marca reconocida por su calidad, como Philips. Las LED chinas, aunque son más baratas, durarán menos y darán menos luz por vatio que las de marca, ya que normalmente en sus lámparas montan los semiconductores LED más económicos del mercado.
Los fabricantes mundiales de ledes incluyen a  Nichia Corporation, Seoul Semiconductor, Cree, Lumileds, Epistar, Samsung y Osram.

Los de CREE y sus clones son bastante económicos y eficientes, entre 80 y 100 lúmens por vatio en el 2011.

Para comprobar si merecían la pena las chinas, adquirí 6 de formato casquillo E27 unos 10€ por bombilla y 420 lumens (similar a una de 40W tradicional) por Ebay para comprobarlas y empezar a usarlas en aquellos lugares en los que la luz se apaga/enciende frecuentemente y las CFL (lámparas fluorescentes compactas) no es conveniente utilizar, como el baño:

NOTA: Es importante fijarse en los lúmenes (cantidad de luz) que da la lámpara, o podemos quedarnos cortos: Si sustituimos una bombilla tradicional, debemos saber que una tradicional de filamento de 40W da 495 lúmens, una de 60W -> 840 lm, una de 75W-> 1050 lm y una de 100W-> 1400 lm.

Según el vendedor, tiene las siguientes características técnicas:

• Cantidad de LEDES: 25 SMD 5050
• Tipo de Base E27
• Consumo 6W
• Rango de Color 4500 - 6000 K / Blanco Puro
• Lumens 420 Lumens (unos 70 lm/W).
• Voltaje de entrada 220V.
• Duración 50.000 horas (Según el fabricante)
• Temperatura del LED < 65℃
• Temperatura de la bombilla < 60℃
• Dimensiones Alto: 78 mm. Diámetro: 45 mm.

Dispuesto a comprobar si la información del anuncio era veraz y real, desarmé la lámpara, que tiene un frontal (emite luz en un ángulo de 240º, suficiente) de policarbonato transparente que se suelta fácilmente presionando los laterales:

Pude comprobar su sencillez; tiene 25 SMD tipo 5050 en serie, con un transformador electrónico básico (envuelto en plástico aislante) que convierte de 220V AC a 70V DC, por lo que cada led trabaja a 2,8V (70/25=2,8).

La luz que emite es muy blanca, por lo que el color también es correcto, así como los lúmens, comparándola con una incandescente de 35W en el mismo baño, ilumina de forma similar:

Si con 420 lúmens no obtenemos la luz suficiente, siempre podemos adquirir estos "ladrones" para casquillo E27, muy prácticos si queremos usar focos, o en este caso, ampliar y repartir mejor la luz de estas lámparas:

La importancia de la temperatura

Los LEDes duran más tiempo cuanto más baja es la temperatura de la unión (en el semiconductor, donde se origina la luz), por lo que un sistema eficiente para retirar ese exceso de calor es muy necesario.

Fuente: Dossier LED

Normalmente las lámparas de este tipo vienen con carcasa de aluminio para refrigerar mejor, lo que las encarece sobremanera. Sin embargo en este caso el diseño no podía ser más económico, sencillo y efectivo; tan sólo presenta unas ranuras de ventilación justo detrás de la placa de LEDS que parece suficiente para mantener la temperatura controlada.

La vida de un LED no sólo la determina la temperatura de la unión, sino también la potencia que se le exige. Cuanta más intensidad eléctrica se les aplica, más iluminan, pero también duran menos. Hay LEDS baratos que están sobrealimentados para iluminar más con menos material semiconductor, con lo que acortamos su vida útil a costa de dar más luz. En estos casos, si decidimos fiarnos o no de este dato, todo dependerá de la reputación del fabricante.

Además, cuanta más corriente pasa por un led, éste más ilumina, pero bajando su rendimiento según se les aplica más intensidad (los lúmenes/vatio van bajando) hasta llegar a un tope donde toda la electricidad adicional se convierte en calor, estresando el led (dañándolo y acortando mucho su vida). Los fabricantes mediante tablas indican la intensidad óptima de funcionamiento y la recomendada; por ejemplo el novedoso chip MK-R de CREE (con 4 leds de potencia en su interior en serie) tiene un rendimiento a 11,7V y 750mA de 149 lm/W, pero si bajamos la intensidad a 350mA, su rendimiento sube 168 lm/W, incluso llega a 200 lm/W si lo bajamos a 100 mA, pero a esa intensidad el led apenas ilumina, por lo que no es práctico.

Para comprobar que la temperatura se mantiene por debajo de 65ºC como indicaba el fabricante, con una temperatura ambiente de 22ºC, utilicé el sensor de temperatura que recientemente he preparado con Arduino, pegando el sensor directamente a la placa:

Se vuelve a montar todo sujeto con cinta y se le pone tensión:

Al cabo de media hora la temperatura deja de subir, ha alcanzado casi 54ºC, una temperatura muy "saludable" para el semiconductor, y acorde con las características anunciadas.

Sólo queda por comprobar su duración, pero el tiempo dirá. De momento estamos usándolas durante un mes, y como el primer día ;).

Dónde utilizarlas

Como con toda inversión, hay que ser prudente y hacerla teniendo en cuenta que seguirá bajando mucho de precio, e instalarlas allí donde sale realmente rentable (ay! si el gobierno hubiera sido más prudente y con más visión de futuro aunque fuera sólo un poco... no estaríamos en las que estamos... :( ).

CONSEJO: Conviene ir cambiando poco a poco la iluminación hacia el LED; ya que además de abaratarse rápidamente, su eficacia va creciendo según mejora la tecnología (han pasado de dar 40 lm/W en el 2004 a más de 70 lm/W en el 2011, con una previsión de 170 lm/W para el 2015).

Son más recomendables en:

• Locales muy transitados pero donde el tiempo de encendido es breve (entre 5 minutos y 1 hora), como habitaciones, baños, pasillos, luces del extractor de cocina, etc.
• Lugares de difícil acceso, el bajo mantenimiento de los LED nos evitarán cambiar a menudo la lámpara (p. ej. lámparas de techos altos en Comunidades de vecinos).
• Donde su resistencia a los golpes y bajo consumo sean importantes, como en linternas.

Si la lámpara va a ser muy poco utilizada, es mejor recurrir a las incandescentes de consumo reducido mientras su precio no sea más asequible.

Las LED son ideales para colocar conjuntamente con detectores de presencia, la intermitencia no los daña.

Y con esto doy por finalizado de momento mi análisis de los LED, cada vez más presentes en nuestra vida diaria (pantallas, móviles, etc) y ahora en nuestras casas.

Dada la evolución vertiginosa de esta tecnología, no sería extraño que en los próximos años se consigan ledes sin apenas pérdida de energía, o casi nula, y muy económicos (menos materiales empleados).

Para entonces tendríamos la "bombilla perfecta", y los filamentos de volframio formarían parte de la historia...

Fuentes:
Dossier LED; ETAP
Trabajo Fin de Master: Análisis de la iluminación LED para alumbrado público
Comparativa de diferentes tipos de lámpara y los lumens por vatio de eficiencia.
La influencia de la temperatura en la duración de los LEDS; Carandini
http://es.wikipedia.org/wiki/Led
http://es.wikipedia.org/wiki/Sh%C5%ABji_Nakamura
Discusión sobre lámparas LED en Metalafición
Análisis (en francés) sobre los peligros de los LED