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ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 2 RESUMEN El objeto del presente trabajo es el estudio de la iluminación con LEDs, también conocida como iluminación de estado sólido. Los diodos emisores de luz (light-emitting diodes) o LEDs son fuentes luminosas a base de semiconductores. A diferencia de los diodos semiconductores de silicio, que emiten una débil radiación infrarroja, los LEDs están fabricados con otros materiales, como el Nitruro de Galio e Indio, seleccionados para que emitan, de forma eficiente, radiación de una longitud de onda determinada del espectro de luz visible. Aunque los LEDs emiten luz monocromática de estrecho ancho de banda, a partir de uno o varios LEDs de luz monocromática, mediante diferentes técnicas, se consigue producir luz blanca. La técnica más extendida emplea un LED azul cubierto parcialmente con una o varias capas de distintas sustancias fluorescentes o fosforescentes, denominadas fósforos. Los fósforos absorben parte de la luz azul del LED, son excitados por ella y emiten luz verde, amarilla o roja. La mezcla de la luz azul del LED con la emitida por los fósforos, da sensación de luz blanca. Otra técnica consiste en mezclar la luz de tres o cuatro LEDs monocromáticos: rojo, verde y azul (en algunos casos también amarillo) para producir luz de apariencia blanca. La tecnología LED es muy reciente. Los primeros LEDs, de luz roja, aparecieron en la década de 1960. En 1993 apareció el LED azul y en 1994 se consiguió por primera vez producir luz blanca de forma eficiente. El uso de LEDs en el campo de la iluminación general está creciendo muy rápidamente a medida que los dispositivos ganan en eficiencia y se hacen más económicos, pero es en algunos aspectos, una tecnología poco madura, con mucho margen de progresión y que aun necesita perfeccionar su regulación. Los LEDs son fuentes luminosas con ventajas comparativas respecto a sus tecnologías competidoras: son energéticamente eficientes, producen luz de buena calidad para reproducir colores, no contienen mercurio, emiten sólo luz del espectro visible, sin componentes infrarrojas ni ultravioletas, tienen una vida útil muy larga, se encienden y apagan casi inmediatamente y pueden producir luz de diferentes tonalidades, incluso algunos dispositivos pueden variar de tonalidad. Tienen también algunas limitaciones que no tienen otras tecnologías. Como todos los dispositivos semiconductores de potencia, los LEDs requieren una gestión térmica correcta, que mantenga en todo momento al dispositivo a una temperatura baja, para lo que se necesita disipar el calor eficientemente. El sobrecalentamiento deteriora a los LEDs alterando la intensidad y tonalidad de la luz y disminuyendo drásticamente la vida útil de los dispositivos. Los LEDs operan a tensión continua baja y requieren corriente constante. Para funcionar con la red eléctrica, necesitan fuentes de alimentación o drivers. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 3 INDICE RESUMEN ............................................................................................................................................................. 2 INDICE ................................................................................................................................................................... 3 1.- INTRODUCCIÓN: ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO ..................................................................................... 5 2.- HISTORIA ......................................................................................................................................................... 7 3.- EXPECTATIVAS DE EVOLUCIÓN DE LA EFICIENCIA Y PRECIO DE LOS LEDS .................................................... 11 4.- TÉCNICAS DE GENERACIÓN DE LUZ BLANCA MEDIANTE LEDS ...................................................................... 13 4.1.- CONVERSIÓN MEDIANTE FÓSFOROS ......................................................................................................... 13 4.2.- SISTEMA DE MEZCLA DE COLORES ............................................................................................................. 16 4.3.- SISTEMAS HIBRIDOS ................................................................................................................................... 18 5.- LA FUENTE DE LUZ BLANCA CON EFICIENCIA DEL 100% ............................................................................... 19 6.- CONCEPTOS Y DEFINICIONES DE LA ILUMINACIÓN CON LEDS...................................................................... 20 6.1 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA ILUMINACIÓN CON LEDS .................................................................. 20 6.1 CONCEPTOS Y DEFINICIONES. ...................................................................................................................... 21 LÚMENES Y VATIOS.................................................................................................................................... 21 DEFINICIONES ............................................................................................................................................ 22 LÁMPARAS Y LUMINARIAS LED .................................................................................................................. 23 7.- FISICA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES EN LOS LEDS ................................................................................... 25 7.1.- CRISTALES COVALENTES. SEMICONDUCTORES. ......................................................................................... 25 7.2.- DOPAJE DE SEMICONDUCTORES ............................................................................................................... 27 7.3.- SEMICONDUCTORES “EXTRÍNSECOS” TIPO N Y TIPO P ............................................................................. 28 7.4.- UNIÓN P-N .................................................................................................................................................. 29 7.5.- TEORÍA DE BANDAS. BANDA DE ENERGÍA Y CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CRISTAL ........................... 30 7.6.- MATERIALES SEMICONDUCTORES USADOS EN LOS LED ........................................................................... 33 7.7.- RECOMBINACIONES RADIATIVAS NO RADIATIVAS .................................................................................... 35 7.8.- SEMICONDUCTORES DE BANDA PROHIBIDA DIRECTA Y DE BANDA PROHIBIDA INDIRECTA ..................... 37 7.9.- HETEROESTRUCTURA Y POZOS CUÁNTICOS .............................................................................................. 38 7.10.- SUSTRATOS ............................................................................................................................................... 39 8.- GESTIÓN TÉRMICA EN LOS LEDS ................................................................................................................... 41 8.1.- EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LOS LEDs ............................................................................................. 42 8.1.1.- DISMINUCIÓN DE LA TENSIÓN DIRECTA ......................................................................................... 43 8.1.2.- DISMINUCIÓN DEL FLUJO LUMINOSO ............................................................................................ 43 8.1.3.- VARIACIÓN DEL TONO DE LUZ EMITIDA ......................................................................................... 44 8.1.4.- EFECTOS A LARGO PLAZO DE LA TEMPERATURA ........................................................................... 45 8.1.5.- ACORTAMIENTO DE LA VIDA UTIL .................................................................................................. 45 8.2.- DISEÑO TÉRMICO DE LAS LAMPARAS Y LUMINARIAS LED ......................................................................... 46 ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 4 9.- ALIMENTACIÓN, CONEXIÓN Y CONTROL DE LOS LEDS ................................................................................. 50 LÚMENES EN FRÍO Y LÚMENES EN CALIENTE ............................................................................................ 51 9.1.- ALIMENTACIÓN DE LOS LEDs ..................................................................................................................... 53 9.2.- CONEXIÓN DE LOS LEDs ............................................................................................................................. 55 9.2.1.- CONEXIÓN DE LEDS EN SERIE ......................................................................................................... 55 9.2.2.- CONEXIÓN DE LEDS EN PARALELO ................................................................................................. 55 9.2.3.- CONEXIÓN DE LEDS EN SERIE/PARALELO ....................................................................................... 56 9.2.4.- CONEXIÓN DE LEDS EN MATRIZ ..................................................................................................... 57 9.3.- DRIVERS PARA LEDs .................................................................................................................................... 58 9.3.1.- TIPOS DE DRIVERS DE LEDS Y PARÁMETROS IMPORTANTES ......................................................... 60 9.3.2.- CIRCUITOS ELECRONICOS EMPLEADOS EN LOS DRIVERS ............................................................... 61 9.3.3.- LEDS DE ALTERNA ........................................................................................................................... 64 9.4.- ATENUACIÓN O CONTROL DE LA LUMINOSIDAD (Dimming) ..................................................................... 65 9.4.1.- ATENUACIÓN POR RECORTE DE LA SEÑAL DE FASE DE LA RED ...................................................... 66 9.4.2.- ATENUACIÓN POR CONTROL DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE DIRECTA ................................... 67 9.4.3.- ATENUACIÓN POR CONTROL PWM ................................................................................................ 68 9.5.- CARACTERÍSTICAS ADICIONALES DE LOS DRIVERS DE LEDS ....................................................................... 69 9.5.3.- AJUSTE DE LA TONALIDAD DE LA LUZ BLANCA ............................................................................... 70 9.5.4.- REALIMENTACIÓN TÉRMICA ........................................................................................................... 70 9.5.5.- CONTROL REMOTO ......................................................................................................................... 71 9.5.6.- UNIDAD DE EMERGENCIA ............................................................................................................... 71 10.- EL COLOR EN LA ILUMINACIÓN CON LEDS .................................................................................................. 72 10.1.- SISTEMAS DE MEDIDA DEL COLOR ........................................................................................................... 72 10.1.1.- EL SISTEMA MUNSELL ................................................................................................................... 72 10.1.2.- SISTEMA DE COLOR C.I.E. ............................................................................................................. 74 10.2.- TEMPERATURA DE COLOR ........................................................................................................................ 76 10.3 LA VARIABILIDAD DE LA PERCEPCIÓN DEL COLOR: ELIPSES DE MACADAM .............................................. 77 10.4.- EL ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA ............................................................................................. 80 10.4.1.- EL IRC CON FUENTES LUMINOSAS LED ......................................................................................... 85 11.- OLEDs .......................................................................................................................................................... 92 APENDICE 1 INFORMACIÓN COMERCIAL DE PRODUCTOS LED .......................................................................... 93 APENDICE 2. TIPOS DE BASES Y LÁMPARAS ESTÁNDAR ..................................................................................... 94 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................................... 100 LIBROS ...................................................................................................................................................... 100 ARTÍCULOS ............................................................................................................................................... 100 WEBS ESPECIALIZADAS ............................................................................................................................ 101 REFERENCIAS Y NOTAS ..................................................................................................................................... 103 ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 5 1.- INTRODUCCIÓN: ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO Los diodos emisores de luz (light-emitting diodes) o LEDs son fuentes luminosas a base de semiconductores. A diferencia de los diodos semiconductores convencionales, de silicio o germanio, que emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible, los LEDs están fabricados con otros materiales seleccionados para que emitan radiación de una longitud de onda determinada del espectro de luz visible. Aunque los LEDs emiten luz monocromática de estrecho ancho de banda, a partir de uno o varios LEDs de luz monocromática, mediante diferentes técnicas, se consigue producir luz blanca. El objeto del presente trabajo es el estudio de la iluminación con LEDs, también conocida como iluminación de estado sólido. Los LEDs aparecieron como componentes electrónicos prácticos en la década de 1960. Los primeros LEDs emitían luz roja de baja intensidad. Hoy en día hay disponibles LEDs que emiten luz monocromática de gran intensidad en una amplia gama de longitudes de onda desde el infrarrojo pasando por la mayor parte del espectro de luz visible hasta el ultravioleta. Empezaron a usarse como luces indicadoras en dispositivos electrónicos. Hoy en día, tras 50 años de intenso desarrollo tecnológico, los LEDs son la tecnología dominante para luces indicadoras. En 1994 se consiguió por primera vez producir luz blanca de forma eficiente con LEDs y su uso en el campo de la iluminación general con luz blanca está creciendo muy rápidamente a medida en que ganan en eficiencia y se hacen más económicos. Según la conclusiones de un estudio del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) publicado en 2009, la iluminación de estado sólido, como se conoce a la producción de luz blanca con LEDs, “casi con seguridad desplazará a todas las tecnologías de iluminación tradicionales, incluyendo a las de tipo incandescente, fluorescente y de descarga de alta intensidad en el mundo desarrollado en redes eléctricas, así como a la iluminación de queroseno en el mundo no desarrollado sin redes eléctricas”. 1 Esta afirmación es probablemente algo aventurada y para comprobar si se cumple tendremos que esperar aun bastantes años. En 2014 los equipos de iluminación con LEDs ofrecen un rendimiento (lm/W) superior al de las lámparas incandescentes, y comparable al de las de los fluorescentes compactos, pero todavía inferior al de los tubos fluorescentes, y lámparas de descarga, pero su precio sigue siendo claramente superior a las otras tecnologías. Está generalmente aceptado que el tiempo de vida útil 2 de los equipos de iluminación con LEDs es superior al de todas las otras tecnologías, aunque este dato es particularmente difícil de evaluar y no existe un método estándar de medirlo. Con el estado actual de la tecnología, la iluminación con LEDs es especialmente adecuada y está ganando mercado muy rápidamente, en aplicaciones en las que se requiere iluminación direccional de intensidad baja a media, como lámparas de escritorio, iluminación de mostradores, luces de ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 6 automóviles, motos y bicicletas, luces empotradas en techos o cielos rasos o iluminación de senderos, sustituyendo sobre todo a lámparas reflectoras incandescentes y halógenas. Un estudio del departamento de energía de los Estados Unidos estima que en ese país, para 2030 los LEDs serán el tipo de tecnología dominante, en torno al 70%, en iluminación residencial, en la que habrá desplazado totalmente a las lámparas incandescentes y convivirán con las lámparas fluorescentes compactas. En iluminación comercial, los fluorescentes lineales seguirán siendo dominantes, pero los LED supondrán en torno al 30%. En el campo de iluminación de exterior, los LED serán la tecnología dominante conviviendo con las lámparas de descarga de sodio de alta presión y las de halogenuros metálicos y habrán desaparecido prácticamente las de vapor de mercurio 3 . GSL lámparas de uso general (rosca normal E27) Reflector o foco: incluye los Reflectores parabólicos aluminizados (PAR) de rosca Edison E14 y E27, y los reflectores multifaceta (MR16 a 12V, GU10 a 220V) CFL lámparas de “bajo consumo” de tipo fluorescente compacto HID descarga de alta intensidad: HPS vapor de sodio de alta presión MH halogenuros metálicos MV Vapor de mercurio En la figura anterior se observa que la tecnología LEDs en aplicaciones de iluminación no residenciales (comercial y exterior) es sólo testimonial en 2014, pero se espera que en 2030 proporcione las dos terceras partes de la iluminación total. Se espera que desde 2010 a 2030 la demanda de iluminación en Europa aumente en un 30%, pero con la mejora esperada de la eficiencia de las fuentes luminosas, sobre todo las de tecnología LED, se espera que el consumo de energía eléctrica para esas aplicaciones disminuya en un 24%. Figura: Evolución prevista de la demanda anual de iluminación (en Teralúmenes·hora) en la Unión Europea en aplicaciones no residenciales (comercial y exterior) y reparto por tecnologías. Fuente: Center for Law and Social Policy (CLASP) ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 7 2.- HISTORIA El primer descubrimiento documentado sobre la emisión de luz al hacer circular una corriente eléctrica a través de un cristal de material semiconductor data de 1907 y se debe al científico británico Henry Joseph Round (18811966). Round, fue uno de los pioneros del desarrollo de la radio, que trabajó como colaborador de Marconi desde 1902. Durante las dos guerras mundiales realizó importantes estudios para los servicios de inteligencia militar británicos sobre radiolocalización en la primera guerra mundial y sobre SONAR en la segunda. Round descubrió la electroluminiscencia de algunos semiconductores, mientras realizaba estudios sobre detectores de radio. En sus experimentos hacía circular corriente eléctrica a través de cristales de diferentes semiconductores, como el carburo de silicio (SiC) y observó que en algunos casos se producía un resplandor de luz de color amarillo, que en otras ocasiones era anaranjado, verde o azul. Sorprendido por este fenómeno, publicó una breve nota describiéndolo en la la revista Electrical World 4 en 1907. La siguiente referencia a estudios sobre el mismo asunto se debe al científico e inventor ruso Oleg Vladimírovich Lósev (1903 - 1942) que merece ser considerado como el inventor del LED, pese a que su temprana muerte y la Guerra Mundial impidieron que sus descubrimientos tuvieran suficiente difusión y fueran continuados. Lósev fue un científico autodidacta. Estudió varios cursos universitarios pero no consiguió ninguna titulación. Realizó sus investigaciones en el Laboratorio de Radio de la ciudad de Nizhniy Novgorod y después en el Instituto Médico de Leningrado, donde ocupaba un modesto puesto de técnico. Murió en 1942 durante el sitio de Lenigrado en la II Guerra Mundial. Lósev observó la emisión de luz al circular corriente por diodos rectificadores de cristal de óxido de Zinc y carburo de silicio utilizados en receptores de radio y divulgó los detalles de su descubrimiento en 1927 en un informe, que se publicó en la revista Telefonía de Rusia, bajo el título de "Detector luminoso de carburo de silicio y detección con cristales" 56 . En su primer artículo ya estableció el umbral de corriente para iniciar la emisión de luz y registró el espectro de luz emitido. Lósev publicó varios artículos más sobre el asunto entre 1927 y 1930. En ellos concluyó que la luz no estaba producida por incandescencia, observó similitudes con la descarga en tubos de gas, midió la característica corrientevoltaje del dispositivo, y utilizó la teoría cuántica de Einstein para explicar la acción del LED y denominó al proceso de emisión “efecto fotoeléctrico inverso”. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 8 También patentó el relé de luz "Light Relay" y vislumbró el gran potencial de su uso en telecomunicaciones. Los prometedores descubrimientos de Lósev cayeron en el olvido y el desarrollo definitivo del LED tuvo que esperar hasta 1960. Su desarrollo estuvo inicialmente ligado a del laser. En 1960 se presentó el primer laser, el laser de rubí, y comenzó una intensa investigación en varios centros de distintos países para producir un laser con diodos semiconductores En 1961 dos investigadores de Texas Instruments: Bob Biard y Gary Pittman descubrieron y patentaron el LED infrarrojo mientras trabajaban en la invención del laser de diodo. El laser de diodo, que tiene un LED en su núcleo, fue dado a conocer en 1962. 7 Ese año, cuatro grupos de investigación en Estados Unidos informaron simultáneamente sobre láseres con diodos semiconductores basados en cristales de arseniuro de galio (GaAs). Tres de los cuatro artículos de investigación publicados por estos grupos aparecieron en el mismo número de la revista Applied Physics Letters del 1 de diciembre de 1962. Los autores fueron Robert Hall y Nick Holonyak Jr 8 de dos laboratorios de la compañía General Electric, Marshall Nathan de IBM 9 y Robert Rediker del Massachusetts Institute of Technology 10 . De los cuatro prototipos de diodo, tres emitían en la banda infrarroja, mientras que el de Holonyak, era un diodo de fosfuroarseniuro de galio (GaAsP) que emitía luz roja. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 9 Nick Holonyak, que trabajaba en el laboratorio de General Electric en Syracuse (Nueva York), está considerado como el padre del LED, por ser el primero en producir un dispositivo LED práctico. Los primeros LEDs de Holonyak eran extremadamente caros y sólo se usaban en equipos de laboratorio y aparatos electrónicos de medida. En 1968, la compañía química Monsanto de San Luis (Misuri. EEUU) comenzó la fabricación en masa de LEDs rojos y ese mismo año Hewlett Packard empezó a usar los LEDs de Monsanto como indicadores en sus equipos. En 1972, M. George Craford, un ingeniero de la compañía Monsanto, inventó el primer LED amarillo. Más tarde Craford pasó a trabajar para Hewlett Packard, donde dirigió un grupo pionero en el uso de Arseniuro de galio-aluminio (AlGaAs) para LEDs rojos de gran luminosidad y fosfuro de aluminio-galio-indio (AlInGaP) para los de color naranja y verde, con los que se logró multiplicar por diez la luminosidad de los LEDs desarrollados por Holonyak. Durante la década de 1970, la Compañía estadounidense de electrónica Fairchild Semiconductor desarrolló métodos de producción de dispositivos semiconductores que permitieron abaratar enormemente su coste. A partir de ese momento, los LEDs comenzaron a generalizarse sustituyendo a las lámparas indicadoras incandescentes y de neón y en displays de siete segmentos, en televisiones, radios, teléfonos, calculadoras y relojes. En 1976 Thomas P. Pearsall desarrolló los primeros LEDs de alta eficiencia y luminosidad que emitían en las longitudes de onda infrarrojas adecuadas para las transmisiones de fibra óptica. En 1987 los LEDs de AlGaAs de HP eran lo suficientemente brillantes como para reemplazar a las bombillas incandescentes de las luces de freno de los vehículos y de los semáforos. Por primera vez los LEDs desplazaban a las lámparas de incandescencia en una aplicación de iluminación. En 1990 HP comenzó a producir LEDs de AlInGaP que ofrecían una luminosidad al menos doble que la de los de AlGaAs. HP también obtuvo éxitos con materiales de GaP, inicialmente en LEDs verdes en 1993 y el año siguiente los empleó como sustrato transparente con el que se logró multiplicar por cuatro la eficiencia de de los LEDs rojo-anaranjados de AlInGaP para intermitentes de coche. Al comienzo de la década de 1990 se empezaron a producir LEDs azules, de muy poca luminosidad a base de SiC, en los laboratorios de Siemens, Sanyo y Cree, con lo que se completó el espectro de colores de los LED. El desarrollo de LEDs azules de alta luminosidad se realizó en Japón. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 16 4.2.- SISTEMA DE MEZCLA DE COLORES Consiste en producir luz de apariencia blanca de distintas tonalidades mezclando la luz de tres o cuatro LEDs monocromáticos: • RGB rojo, verde y azul • RGBA rojo verde ámbar y azul. La producción de luz blanca mediante la mezcla de emisiones de luces monocromáticas es potencialmente el método más eficiente posible. Además, jugando con la potencia relativa de cada emisor monocromático, permite el control del tono de la luz, lo que abre aplicaciones no sólo en el campo de la decoración sino también como método de mejorar la productividad de los trabajadores. En la actualidad no se han conseguido lámparas RGB de suficiente potencia y eficiencia y este método prácticamente sólo se utiliza en aplicaciones de decoración. En 2014 existen encapsulados led de mezcla de colores con rendimientos en torno a 133 lm/w para RGB y de 85 lm/W par RGBA. Se estima que para 2020 se podrían alcanzar los 191 lm/w con RGB y 153lm/W con RGBA. El problema principal que limita el desarrollo de esta tecnología es que actualmente la eficiencia de los LEDs verdes y amarillos es muy inferior a la de los azules. Las longitudes de onda de emisión que se han considerado ideales en Espectro de emisión de sistemas RGB y RGBA comparados con los del cuerpo negro, ambos con temperatura de color 3000 K ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 17 estudios teóricos para mezcla de colores son: • RGB: azul 450-63 nm, verde 545 nm y rojo 610-12 nm • RGBA: azul 456-59 nm, verde 535-39 nm, ámbar/amarillo 573-90 y rojo 614-15 nm Sin embargo con la tecnología actual los LEDs verdes emiten en torno a 525 nm y los ámbares en torno a 590 nm y sus eficiencias son muy inferiores a los de los azules y rojos. El desajuste entre las longitudes de onda ideales incide negativamente en la calidad de reproducción cromática de las fuentes luminosas de esta tecnología. Es necesario conseguir LEDs verdes y amarillos mucho más eficientes, que emitan en las longitudes de onda de 535 y 573 nm para que la generación eficiente de luz blanca por mezcla de colores sea eficiente y consiga altos índices de reproducción cromática. Si se lograran LEDs verdes y ámbar más eficientes, se podrían lograr rendimientos de hasta 250 lm/W ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 18 4.3.- SISTEMAS HIBRIDOS Mezclan la luz de LEDs blancos convencionales, a partir de LEDs azules con fósforo amarillo o verde, con otros monocromáticos, normalmente rojos, para mejorar el índice de reproducción cromática y la eficiencia. Esta técnica la ha empleado Cree en su línea de productos Cree Truewhite y Osram en la línea Briliant Mix (Con esa tecnología se consiguen índices de reproducción cromática de 93-95. El uso de un LED rojo en vez de un fósforo que convierta la luz azul en roja tiene ventajas obvias: se eliminan las pérdidas de Stokes y la emisión del LED tiene un menor ancho de banda, con lo que no se desperdicia luz en longitudes de onda donde el ojo humano es poco sensible. Este sistema tiene sin embargo otros inconvenientes, ya que los LEDs rojos a base de AlGaInP tienen un comportamiento térmico muy diferente que los LEDs azules de GaN lo que hace necesario un sistema de control y añade complejidad al conjunto. En un estudio comparativo de 5 módulos (downlight) de LED blanco frio 13 se estudiaron cuatro productos con tecnología de conversión por fósforo de Osram, Philips, GE y Xicato con uno de Cree que utiliza el sistema híbrido en el que se mezcla la luz de 24 LEDs blancos (led azul+ fósforo) con la de 14 LEDs rojos. Con esta técnica, el módulo de Cree logra un IRC más alto (92,4) y un R9 (respuesta al rojo profundo) muy superior (56,1) En las figuras vemos la distribución espectral de la luz de los 5 módulos del estudio y algunos datos técnicos. Puede observarse que la distribución espectral es muy similar en 4 de ellos y notablemente distinta en el de Cree, los LEDs rojos son responsables del pico de 620 nm. ILUMINACION CON LEDS 5.- LA FUENTE DE LUZ BLANCA CON EFICIENCIA DEL 100% Algunos estudios científicos basada tecnología LED con mezcla de colores con la máxima eficiencia posible. Se han elegido para ella unos parámetros de índice de reproducción cromática en torno a 85 y de temperatura de color de 3800 consumo de iluminación tanto comercial como doméstica. Con estudios de simulación, se ha llegado a la conclusión de que con esta tecnología podría alcanzarse hipotéticamente una eficacia luminosa máxima de 400 lm/W. A este valor se le ha asignado una eficiencia del 100%, con idea de realizar comparaciones entre las distintas tecnologías de iluminación actuales y futuras. Los principales laboratorios de investigación en las tecnologías de iluminación de estado sólido están en la a orden del 70100% en LEDs de luz blanca con elevado Índice de Reproducción Cromática. 19 LA FUENTE DE LUZ BLANCA CON EFICIENCIA DEL científicos han definido teóricamente la “fuente de luz ideal” basada tecnología LED con mezcla de colores con la máxima eficiencia posible. Se han elegido para ella unos parámetros de índice de reproducción cromática en torno a 85 y de temperatura de color de 3800 K basándose en los usos de consumo de iluminación tanto comercial como doméstica. Con estudios de simulación, se ha llegado a la conclusión de que con esta tecnología podría alcanzarse hipotéticamente una eficacia luminosa máxima de 400 lm/W. A este se le ha asignado una eficiencia del 100%, con idea de realizar comparaciones entre las distintas tecnologías de iluminación actuales y futuras. Los principales laboratorios de investigación en las tecnologías de iluminación de estado sólido están en la a ctualidad intentando conseguir eficiencias del 100% en LEDs de luz blanca con elevado Índice de Reproducción José Luis Grande LA FUENTE DE LUZ BLANCA CON EFICIENCIA DEL han definido teóricamente la “fuente de luz ideal” basada tecnología LED con mezcla de colores con la máxima eficiencia posible. Se han elegido para ella unos parámetros de índice de reproducción cromática K basándose en los usos de consumo de iluminación tanto comercial como doméstica. Con estudios de simulación, se ha llegado a la conclusión de que con esta tecnología podría alcanzarse hipotéticamente una eficacia luminosa máxima de 400 lm/W. A este se le ha asignado una eficiencia del 100%, con idea de realizar comparaciones entre las distintas tecnologías de iluminación actuales y futuras. Los principales laboratorios de investigación en las tecnologías de iluminación ctualidad intentando conseguir eficiencias del 100% en LEDs de luz blanca con elevado Índice de Reproducción ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 20 6.- CONCEPTOS Y DEFINICIONES DE LA ILUMINACIÓN CON LEDS 6.1 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA ILUMINACIÓN CON LEDS Potencialidades/Ventajas • Alta eficiencia /bajo consumo: Fuente luminosa energéticamente eficiente y con un gran potencial de mejora. (potencialmente superior al resto de las tecnologías) • Calidad de la luz: Alto índice de reproducción de los colores. • Duración: Vida útil muy larga. • Baja emisión de calor. Es una fuente de luz fría, pues no emite radiación infrarroja. Tampoco emite radiación ultravioleta. • Respuesta instantánea y resistencia a un enorme número de ciclos (encendido/apagado) sin perjuicio para su rendimiento y duración. • Diferentes tonos de luz (fría, cálida) para ajustarse a todo tipo de ambientes. En algunas versiones, puede cambiarse la tonalidad de la luz del dispositivo. • Regulable. La tecnología LED permite la regulación de la intensidad luminosa • Poco contaminante. No contiene mercurio ni otras sustancias peligrosas. • Resistencia muy superior a la de las lámparas o los tubos fluorescentes. • Direccionalidad: Su naturaleza direccional hace a los LEDs especialmente eficaces para algunas aplicaciones como iluminar a cortas distancias y áreas pequeñas o para reducir la contaminación luminosa en la iluminación de calles. Limitaciones/Inconvenientes: • Coste. El precio es más alto que en las otras tecnologías de iluminación, aunque se está reduciendo muy rápidamente. • Inmadurez. Es una tecnología muy nueva y su regulación no está tan perfeccionada como otras tecnologías más maduras. Existe un gran número de productos en el mercado cuya calidad es difícil de comparar. • Gestión térmica crítica. Los LEDs son dispositivos semiconductores de potencia y son muy sensibles a sufrir daños por el calor. La gestión térmica es un aspecto fundamental. Para mantener refrigeradas matrices de LEDs de alta potencia deben usarse grandes disipadores de calor. Puede ser poco fiable en aplicaciones de iluminación de exteriores que impliquen grandes variaciones de temperatura entre el invierno y el verano. • Materiales escasos. Los metales de tierras raras utilizados en los fósforos de los LEDs pueden ser objeto de monopolios de control de precios por determinadas naciones. • Envejecimiento. La vida útil anunciada es difícilmente comprobable. Con el paso del tiempo la luminosidad se va reduciendo y se producen cambios en la tonalidad de la luz, sobre todo con una deficiente gestión térmica. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 21 6.1 CONCEPTOS Y DEFINICIONES. LÚMENES Y VATIOS El flujo luminoso, o potencia luminosa emitida por una fuente, en el Sistema Internacional de Medidas, se mide en lúmenes (símbolo: lm). El flujo luminoso contempla la sensibilidad variable del ojo humano a las diferentes longitudes de onda de la luz. Es distinto del flujo radiante, que considera toda la radiación electromagnética emitida por la fuente sin considerar si tal radiación es visible o no. Las primeras fuentes luminosas eléctricas fueron las de tecnología incandescente. Una lámpara incandescente de 100 vatios de potencia eléctrica emite aproximadamente 1300-1400 lúmenes. Con sólo esa tecnología se generalizó la costumbre de asimilar el flujo luminoso de una lámpara incandescente con su consumo eléctrico en vatios (40W, 60W, 100W). Hoy en día, con varias tecnologías en el mercado y con las lámparas incandescentes a punto de desaparecer, esa equivalencia ha dejado de tener ningún sentido, pero sigue arraigada en la población de cierta edad. Aún es común indicar en las lámparas de uso doméstico de tecnología fluorescente compacta o LED, como medida de su flujo luminoso, la potencia en vatios de la lámpara incandescente a la que sustituyen, además de su flujo luminoso en lúmenes. Así, el prospecto de una lámpara Philips que aparece en apéndice 1 de este trabajo indica 13W (75W) y más adelante, 1055 lm. El fabricante nos dice que esta lámpara consume 13W de potencia eléctrica y emite 1055 lm, aproximadamente lo mismo que una lámpara incandescente de 75W. La eficiencia de una fuente luminosa es la relación entre el flujo luminoso emitido y la potencia eléctrica consumida y se mide en lm/W. En el ejemplo anterior podemos comparar la eficiencia de la tecnología incandescente y la LED en el momento actual. La eficiencia de la lámpara incandescente es de   = 14/ mientras que en la LED de Philips del ejemplo es de   = 81 /, una eficiencia excelente comparada con otras lámparas LED del mercado y casi seis veces mejor que la equivalente incandescente. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 22 DEFINICIONES Nivel de componentes (sin fuente de alimentación o driver) • LED es un dispositivo semiconductor de unión p-n que cuando se polariza directamente emite luz no coherente en el espectro de radiación ultravioleta, visible o infrarroja. • Encapsulado LED (LED package): conjunto de uno o más LEDs, que incluye la conexión para cableado u otro tipo de conexiones eléctricas, interfaces térmicas, mecánicas, o eléctricas y opcionalmente, un elemento óptico. No incluye un casquillo o base estandarizada. El dispositivo no se puede conectar directamente a la red eléctrica. • Matriz de LEDs (LED array): conjunto de LEDs o encapsulados LED, en una placa de circuito impreso o sustrato, normalmente con elementos ópticos e interfaces térmicas, mecánicas y eléctricas adicionales, que está preparado para conectarse como carga de un driver LED. No incluye fuente de alimentación ni casquillo o base estandarizado. El dispositivo no se puede conectar directamente a la red eléctrica. Subconjuntos y sistemas (incluyendo el conductor) • Lámpara LED (de sustitución) (replacement / retrofit LED lamp): conjunto con un casquillo o base estandarizada. Hay dos categorías generales de las lámparas LED: o lámpara LED integrada: conjunto integrado, compuesto de encapsulados o matrices de LEDs, driver, casquillo o base estándar, y otros componentes ópticos, térmicos, mecánicos y eléctricos. El dispositivo está diseñado para conectarse directamente a la red eléctrica a través de un portalámparas o base hembra estándar. o Lámpara LED no integrada: conjunto compuesto por una matriz o encapsulados de LEDs, y un casquillo o base estándar. El dispositivo está diseñado para conectarse al driver de LEDs de una luminaria a través de un portalámparas estándar. El dispositivo no se puede conectar directamente a la red eléctrica. • Módulo LED: conjunto integrado compuesto por encapsulados o matrices de LEDs, driver y otros componentes ópticos, térmicos, mecánicos y eléctricos. El dispositivo está diseñado para conectarse directamente a la red eléctrica a 1 2 3 4 5 6 7 5 8 3 1 LED 2 encapsulado de un LED 3 encapsulado de varios LEDs 4 matriz de LEDs 5 módulo LED 6 lámpara LED integrada (con driver) 7 lámpara LED no integrada (sin driver) 8 luminaria LED ILUMINACION CON LEDS través de un conector personalizado compatible con la luminaria L cual fue diseñado y no utiliza una base estándar ANSI. • Driver de LEDs: dispositivo compuesto por una fuente de alimentación y circ uitos de control de LED eléctrica y alimentar a un encapsulado, integrada. o F uente de alimentación y controlar la corriente, voltaje o potencia dentro de los límites de diseño. o C ircuitos de control co ntrolar una fuente salida, corriente de salido o cantidad y características de la energía eléctrica suministrada a un encapsulado incluyen una fuente de alimentación. • Luminaria LED ( LED luminaire compone de encapsulados o matrices con elementos para distribuir la luz, posicionar y proteger los elementos emisores de luz, y para conectar la unidad a LED están diseñada s LÁMPARAS Y LUMINARIAS LED Las lámparas LEDs, a l igual que las lámparas fluorescentes compactas, están diseñadas para sustituir a lámparas incandescentes o halógenas, por lo que su diseño está sometido a importantes restricciones de forma y tamaño, que necesariamente limitan su eficiencia. En una lámpa espacio de una lámpara incandescente convencional ha matrices de LEDs dispuestas de forma que proyecten la luz en un volumen adecuado, más un disipador de calor y un driver. Las restricciones de espacio y forma dificultan en gran medida el diseño y la eficacia tanto del disipador como del driver. Las luminarias y módulos totalmente integrados, diseñados para reemplazar un aparato de iluminación completo (no sólo la lámpara). diseñada para sustituir una luminaria de tubos fluorescentes downlight con LEDs. Figura: Lámparas LED de izquierda una lámpara de sustituir a una de sodio de alta presión con un enorme disipador de calor integrado izquierda despiece de un foco LED con detalle del disipador y el driver. 23 través de un conector personalizado compatible con la luminaria L cual fue diseñado y no utiliza una base estándar ANSI. dispositivo compuesto por una fuente de alimentación y uitos de control de LED s diseñado para recibir la alimentación alimentar a un encapsulado, una matriz o una uente de alimentación : dispositivo electrónico capaz de proporcionar y controlar la corriente, voltaje o potencia dentro de los límites de ircuitos de control : componentes electrónicos diseñados para ntrolar una fuente alimentación mediante el ajuste de corriente de salido o ciclo de trabajo con objeto de cantidad y características de la energía eléctrica suministrada a un o una matriz de LEDs. Los circuit os de control no una fuente de alimentación. LED luminaire ): aparato de iluminación completo encapsulados o matrices de LEDs y un driver para distribuir la luz, posicionar y proteger los elementos emisores de luz, y para conectar la unidad a la red eléctrica s para conectarse directamente a la red eléctrica. LÁMPARAS Y LUMINARIAS LED l igual que las lámparas fluorescentes compactas, están diseñadas para sustituir a lámparas incandescentes o halógenas, por lo que su diseño está sometido a importantes restricciones de forma y tamaño, que necesariamente limitan su eficiencia. En una lámpa ra LED integrada, en el espacio de una lámpara incandescente convencional ha n de integrase matrices de LEDs dispuestas de forma que proyecten la luz en un volumen adecuado, más un disipador de calor y un driver. Las restricciones de espacio y forma dificultan en gran medida el diseño y la eficacia tanto del disipador como y módulos LEDs en cambio, son productos de iluminación totalmente integrados, diseñados para reemplazar un aparato de iluminación completo (no sólo la lámpara). Dos ejemplos son una luminaria LED diseñada para sustituir una luminaria de tubos fluorescentes LED de sustitución. A la izquierda una lámpara de alta potencia para sustituir a una de sodio de alta presión con un enorme disipador de calor integrado . A la izquierda despiece de un foco LED con detalle del disipador y el driver. José Luis Grande través de un conector personalizado compatible con la luminaria L ED para el dispositivo compuesto por una fuente de alimentación y alimentación de la red una lámpara LED no dispositivo electrónico capaz de proporcionar y controlar la corriente, voltaje o potencia dentro de los límites de componentes electrónicos diseñados para mediante el ajuste de la tensión de con objeto de controlar la cantidad y características de la energía eléctrica suministrada a un os de control no aparato de iluminación completo que se driver adecuado, junto para distribuir la luz, posicionar y proteger los elementos la red eléctrica . Las luminarias la red eléctrica. l igual que las lámparas fluorescentes compactas, están diseñadas para sustituir a lámparas incandescentes o halógenas, por lo que su diseño está sometido a importantes restricciones de forma y tamaño, que ra LED integrada, en el de integrase varias matrices de LEDs dispuestas de forma que proyecten la luz en un volumen adecuado, más un disipador de calor y un driver. Las restricciones de espacio y forma dificultan en gran medida el diseño y la eficacia tanto del disipador como productos de iluminación totalmente integrados, diseñados para reemplazar un aparato de iluminación una luminaria LED empotrable diseñada para sustituir una luminaria de tubos fluorescentes y un módulo ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 24 En general, los módulos y las luminarias LED pueden tener un rendimiento superior en comparación con las lámparas de sustitución, ya que las restricciones de diseño impuestas por una forma existente o un espacio disponible son generalmente mucho menos importantes. Así por ejemplo, pueden usarse drivers más eficientes sin limitaciones de tamaño ni forma, que suministren alimentación a toda la luminaria, o puede usarse el cuerpo completo de la luminaria como parte de un disipador calor mucho más eficaz, sobre todo en potencias elevadas, como en iluminación de exteriores. Las lámparas LED de sustitución son sin duda un producto coyuntural, que está sirviendo para introducir la tecnología LED en el mercado de la iluminación doméstica y que irá siendo sustituido progresivamente por módulos y luminarias LED. Todavía existen millones de aparatos de luz diseñados para funcionar con lámparas incandescentes con bases estándar y las lámparas de esta tecnología están siendo eliminadas del mercado por normativas tendentes al ahorro energético. La industria creó primero las lámparas fluorescentes compactas y después las lámparas LED, como sustitución de las de tecnología incandescente conforme se van haciendo obsoletas, para funcionar en ese enorme parque de aparatos de iluminación que tardará bastantes años en desaparecer. Las luminarias y los módulos LED son en cambio productos destinados a perdurar. En esta fase inicial de implantación de la tecnología LED, las aplicaciones comerciales e industriales son un mercado importante para las luminarias LED, ya que representan alrededor del 30 por ciento de todas las instalaciones de iluminación, pero son responsables de más de la mitad del consumo total de electricidad de toda la iluminación en los EE.UU. Por el contrario, las aplicaciones de las lámparas de sustitución de propósito generales de representan casi el 70 por ciento de todas las instalaciones, pero son responsables de sólo un poco más del 30 por ciento del consumo total de energía de iluminación. Esta distinción se debe en gran parte a mayor número de horas de funcionamiento y la mayor potencia luminosa de las luminarias. Figura: Luminarias LED de alta potencia. Aprovechamiento del cuerpo de la luminaria como parte del disipador de calor ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 25 7.- FISICA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES EN LOS LEDS Para comprender el funcionamiento de los LED, así como los materiales que lo componen, su estructura interna y los métodos de fabricación, debemos en primer lugar dejar claro que los LED son un tipo especial de diodos semiconductores y se basan en los mismos principios que los diodos rectificadores de silicio. A continuación haremos un resumen de los principios físicos de los materiales semiconductores y de los diodos, para especificar más tarde las peculiaridades de los LEDs. 7.1.- CRISTALES COVALENTES. SEMICONDUCTORES. 14 Los materiales empleados para la fabricación de componentes electrónicos se denominan semiconductores y presentan algunas propiedades eléctricas especiales: su resistividad eléctrica es intermedia entre la de los metales y los aislantes y su conductividad puede ser controlada agregando pequeñas cantidades de impurezas. Los materiales semiconductores están formados por cristales a base de enlaces covalentes. El enlace covalente entre dos o más átomos se origina cuando cada átomo comparte electrones de su capa más o externa o nivel de valencia, con átomos vecinos de forma que todos ellos tengan en la última capa ocho electrones (octeto), situación que es muy estable. En los Cristales covalentes las uniones covalentes se producen en todas las direcciones del espacio. Los átomos están muy próximos entre sí y situados espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón geométrico. La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última capa sufran la interacción de los átomos vecinos. En estas condiciones todos los electrones de valencia tienen su lugar en la red. Esto hace que se forme una malla de átomos que se denomina red cristalina, que es una estructura extraordinariamente estable. El diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de carbono. Se denominan elementos semiconductores a un grupo de elementos del sistema periódico que se caracterizan por tener cuatro electrones de valencia. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 32 Donde E es la energía del fotón, f la frecuencia de la onda electromagnética y h la constante de Planck ℎ = 4.13566733 · 10 −15 eV·s Dado que la frecuencia f, la longitud de onda λ y la velocidad de la luz c cumplen que  ·  = !  = " # , la relación de Planck se puede expresar como:  = ·" # y  = ·"  c = 3 · 10 % m/s ()*=ℎ(+, · -*· ( -* (+,*· 10 9 =1240,7 +, · ) (+,* ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 33 7.6.- MATERIALES SEMICONDUCTORES USADOS EN LOS LED Diferentes familias de materiales semiconductores inorgánicos pueden contribuir a la generación de luz mediante tecnologías de estado sólido. En la tabla siguiente se incluyen una serie de elementos y compuestos semiconductores con sus bandas prohibidas, y las longitudes de onda de emisión correspondientes. Material Símbolo Banda prohibida (eV) a 300K λ (nm) luz Grupos sistema periódico Silicio Si 1,11 1118 IR prox IVA Germanio Ge 0,66 1880 IR prox IVA Carburo de silicio SiC 2,86 434 violeta IVA Fosfuro de aluminio AlP 2,45 506 verde III-IV Arseniuro de aluminio AlAs 2,16 574 amarillo III-IV Antimoniuro de aluminio AlSb 1,6 775 IR prox III-IV Nitruro de aluminio AlN 6,3 197 UV prox III-IV Diamante C 5,5 226 UV prox IV Fosfuro de galio (III) GaP 2,26 549 verde III-IV Arseniuro de galio GaAs 1,43 868 IR prox III-IV Nitruro de galio (III) GaN 3,4 365 UV prox III-IV Sulfuro de galio (II) GaS 2,5 496 verde III-IV Antimoniuro de galio GaSb 0,7 1772 IR prox III-IV Nitruro de indio (III) InN 0,7 17 1772 IR prox III-IV Fosfuro de indio (III) InP 1,35 919 IR prox III-IV Arseniuro de indio (III) InAs 0,36 3446 IR medio III-IV Óxido de cinc ZnO 3,37 368 UV prox II-VI Sulfuro de cinc ZnS 3,6 345 UV prox II-VI Seleniuro de cinc ZnSe 2,7 460 Azul II-VI Telururo de cinc ZnTe 2,25 551 verde II-VI Sulfuro de cadmio CdS 2,42 513 verde II-VI Seleniuro de cadmio CdSe 1,73 717 rojo II-VI Telururo de cadmio CdTe 1,44 860 IR prox II-VI Sulfuro de plomo (II) PbS 0,37 3353 IR medio II-VI Seleniuro de plomo (II) PbSe 0,27 4595 IR medio II-VI Telururo de plomo (II) PbTe 0,29 4278 IR medio II-VI Óxido de cobre (II) Cu 2 O 2,17 572 verde ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 34 Los primeros LEDs rojos se fabricaron con Fosfuro-Arseniuro de Galio (GaAsP) y más tarde con Arseniuro de Galio y Aluminio (AlGaAs). Los primeros LED azules se hicieron con Carburo de Silicio (SiC) Actualmente los compuestos químicos más usados en la fabricación de LEDs son los Nitruros y Fosfuros de elementos del Grupo III A o 13 (Aluminio, Galio e Indio). Observamos que al Nitruro de Galio (GaN) le corresponde una longitud de onda en torno a 365 nm en el ultravioleta próximo y al Nitruro de Aluminio (AlN) 197 nm también UV algo más alejado del espectro visible. Más abajo vemos que el Nitruro de Indio (InN) emite a 1772 nm en el IR próximo. Combinando en las proporciones adecuadas estos compuestos en aleaciones ternarias (InGaN o AlGaN) o cuaternarias (AlGaInN) se pueden fabricar LEDs que emitan en toda la gama que va desde el UV próximo y cubre la mayor parte del espectro visible. Utilizando InGaN, la longitud de onda emitida puede ser controlada por la relación que se mantiene entre el GaN y el InN en la aleación. Pude emitirse en el ultravioleta cercano con combinaciones entre 0.02In/0.98Ga hasta 0.1In/0.9Ga (390 nm). Se consigue luz azul-violeta (420 nm) con 0.2In/0.8Ga, azul (440 nm) con 0.3In/0.7Ga. Con combinaciones más altas de Indio puede emitirse luz verde y aumentándola más aún, teóricamente podría llegarse hasta el rojo, pero la eficiencia disminuye al aumentar la longitud de onda. De hecho la longitud de onda del verde es demasiado larga para ese tipo de material y no se ha conseguido emitir con suficiente eficacia en la longitud de onda verde más adecuada para la generación de luz blanca que estaría entre 535 y 545 nm En la actualidad se usan estructuras de AlGaN para fabricar LEDs ultravioletas y estructuras de InGaN y AlInGaN para fabricar LEDs azules de gran luminosidad IR PRÓXIMO UV PRÓXIMO ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 35 y verdes de menor rendimiento. Los LEDs azules, y potencialmente los UV se usan para la generación de luz blanca por conversión con fósforos. La luz de mayores longitudes de onda, entre el ámbar y el rojo, se consigue de forma eficiente mediante LEDs de AlGaInP. En este caso, vemos que el Fosfuro de Galio emite en torno a 550 nm, el Fosfuro de Aluminio 506 nm, ambos en la gama de la luz verde. El Fosfuro de Indio emite en 919 nm en el IR próximo. Aumentando la proporción de Indio en la aleación se consigue aumentar la longitud de onda de la luz emitida. La eficiencia de los LEDs de AlGaInP es muy buena en el rojo, pero disminuye conforme disminuimos la longitud de onda de emisión, es menor en los LEDs naranjas y menor aún en los ámbares. Es posible que en el futuro se consiga avanzar en el uso de otros compuestos como el Oxido de Cinc (ZnO), pero las investigaciones en esos materiales están aún en fase inicial. Es posible también la utilización de Cadmio (en seleniuros, sulfuros o teluros) en la fabricación de LEDs, pero este metal pesado se considera altamente contaminante y su uso está restringido por normativas medioambientales como la directiva europea RoHS 7.7.- RECOMBINACIONES RADIATIVAS NO RADIATIVAS Al fenómeno expuesto, por el que un electrón se “recombina” con un hueco emitiendo un fotón de energía se le denomina recombinación radiativa y es el efecto buscado en los LEDs. Pero no en todos los casos las recombinaciones producen la deseada emisión de un fotón al exterior del cristal. En algunos casos, los fotones emitidos no pueden escapar del cristal, son reflejados y reabsorbidos generando una pequeña cantidad de calor. En otros casos, la recombinación no produce un fotón sino un fonón (una energía cuántica análoga al fotón) cuya energía se convierte en una vibración de la red cristalina y generación de calor. 18 A este fenómeno indeseado se le denomina recombinación no radiativa. En general podemos decir que la generación de portadores libres en un semiconductor 19 puede deberse a causas internas (excitación térmica) o externas (radiación electromagnética, campos intensos, inyección desde otra zona del material, etc.). Los portadores libres excitados por estímulos externos ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 36 no permanecen indefinidamente en ese estado, ya que existen diversos mecanismos que tienden a hacerlos volver al estado inicial. Son los llamados mecanismos de recombinación. La figura representa esquemáticamente varios de esos mecanismos. Entre ellos podemos señalar los siguientes: (a) recombinación por trampas o Shockley-Read-Hall (no radiativa) (b) recombinación Auger (no radiativa) (c) recombinación radiativa -Recombinación radiativa: encuentro directo entre un electrón y un hueco que se recombinan emitiendo un fotón de energía igual a la banda prohibida (interacción entre dos partículas). - Recombinación Auger: la energía del electrón que se recombina es cedida como energía cinética a otro electrón de la banda de conducción (interacción entre tres partículas). - Recombinación por trampas o niveles profundos (Shockley-Read-Hall): debido defectos en el material semiconductor, existen niveles intermedios de energía dentro de la banda prohibida. Algunos electrones son capturados en uno de esos niveles intermedios (trampa), quedando en un estado meta estable y cediendo el exceso de energía a la red. Posteriormente dicho nivel puede capturar un hueco de la banda de valencia, completándose así la recombinación. Toda la energía en exceso se cede a la red sin emisión de un fotón. E C (N C , n) E V (N V , p) E T (N T , n T ) hν>E g hν∼E g G R Rad R Trampas ILUMINACION CON LEDS 7.8.- SEMICONDUCTORES DE BANDA PROHIBIDA DIRECTA Y DE BANDA PROHIBIDA INDIRECTA 37 Conforme aumenta la corriente a través del LED aumenta la recombinación radiativa pero se incrementa más aun la no radiativa de Auger. Por ello, en los LED azules, que son la base para la generación de luz blanca, se produce una caída de eficiencia ( corrientes elevadas, necesarias en aplicaciones de iluminación. “caída de eficiencia” y lograr optimizar el rendimiento del LED azul a corrientes normales de funcionamiento (700 mA uno de los principales objetivos científicos que trabajan en la mejora de los LED. SEMICONDUCTORES DE BANDA PROHIBIDA DIRECTA Y DE BANDA PROHIBIDA INDIRECTA La banda prohibida de los semiconductores puede ser de dos tipos directa o indirecta. Las bandas en las que pueden encontrarse los portadores de carga se caracterizan por un vector con dos componentes: su energía y su momento. Se dice que un semiconductor es de banda prohibida directa cuando el momento de electrones y huecos es el mismo en valencia y de conducción. En ese caso, el electrón puede pasar directamente de una banda a la otra y emitir un fotón. En cambio, si los momentos son distintos, se dice que se trata de un semiconductor de banda prohibida indirecta. En una ban prohibida indirecta no se puede emitir directamente un fotón, sino que el electrón debe pasar por un estado intermedio en el que debe modificar su momento. Esto implica la absorción o emisión de un fonón, José Luis Grande Conforme aumenta la corriente a través del LED aumenta la recombinación radiativa pero se incrementa más aun la no radiativa de Auger. Por ello, en los LED azules, que son la base para la generación de luz blanca, se eficiencia ( droop) a corrientes elevadas, necesarias en aplicaciones de iluminación. Eliminar esa “caída de eficiencia” y lograr optimizar el rendimiento del LED azul a corrientes normales de funcionamiento (700 mA -1 A) es uno de los principales objetivos de los científicos que trabajan en la mejora de los SEMICONDUCTORES DE BANDA PROHIBIDA DIRECTA Y La banda prohibida de los semiconductores puede ser de dos tipos directa o indirecta. Las bandas en las que pueden encontrarse los portadores de carga se caracterizan por un vector con dos componentes: su energía y su momento. Se dice que un semiconductor es de banda prohibida directa cuando el momento de electrones y huecos es el mismo en las bandas de valencia y de conducción. En ese caso, el electrón puede pasar directamente de una banda a la otra y emitir un fotón. En cambio, si los momentos son distintos, se dice que se trata de un semiconductor de banda prohibida indirecta. En una ban da prohibida indirecta no se puede emitir directamente un fotón, sino que el electrón debe pasar por un estado intermedio en el que debe modificar su momento. Esto implica la absorción o emisión de un fonón, ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 38 cuya energía se convierte en una vibración de la red cristalina y generación de calor. Una vez igualados los momentos puede producirse la recombinación con la emisión de un fotón. Este proceso hace que las recombinaciones radiativas sean mucho más lentas en los materiales con banda prohibida indirecta. Algunos ejemplos de semiconductores con banda prohibida directa o indirecta se muestran en la tabla. Podemos ver que el Si y los Nitruros de Al In y Ga que se usan en LEDs azules son de banda prohibida directa, en cambio el SiC y los Fosfuros de Ga y Al que se emplean en los LEDs rojos son de banda prohibida indirecta. 7.9.- HETEROESTRUCTURA Y POZOS CUÁNTICOS Para maximizar la probabilidad de que se produzcan las recombinaciones radiativas de huecos y electrones, que son las que emiten fotones, los LEDs se construyen con una estructura mucho más compleja que la representada en las los esquemas de una unión P-N simple. Los LEDs son en realidad como un sándwich de múltiples capas con materiales distintos, denominadas heteroestructuras. A las zonas de contacto entre dos materiales semiconductores distintos se les denomina heterouniones Unas capas muy finas de un material con una determinada energía de banda prohibida se “empareda” entre capas de otro material con energía de banda prohibida más elevada, creándose heterouniones a ambos lados. Estas heterouniones, debido a las diferentes energías de sus bandas prohibidas, se comportan como barreras que confinan a los portadores de carga (electrones y huecos) en la capa interior, de menor energía de banda prohibida, que se llama zona activa. Este fenómeno se conoce en física como pozo cuántico. La mayor concentración de portadores de carga en la estrecha zona activa, favorece la posibilidad de que se produzcan recombinaciones radiativas. Pueden fabricarse LEDs con una sola de esas capas activas o pozos cuánticos o con varias. En el caso de los LEDs azules las capas exteriores son de Nitruro de Galio dopado con Si en la zona N y con Mg en la P. Las zonas activas o pozos cuánticos interiores son de Nitruro de Galio e Indio. La composición de las ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 39 zonas activas es la que marca la frecuencia de emisión de la luz del LED. En función de la proporción de Indio de la mezcla, se emitirá luz verde (con la máxima proporción de Indio), azul o violeta (con la mínima proporción de Indio). 7.10.- SUSTRATOS Los LEDs, como los otros dispositivos semiconductores, se fabrican cultivando o recreciendo las capas de cristal de tipo P y N sobre un sustrato o base estable de un material con una estructura cristalina igual o muy similar a la del cristal semiconductor utilizado. Los LEDs se construyen normalmente sobre un sustrato de tipo N. Los sustratos tipo P son menos comunes. Para que las estructuras cristalinas del sustrato y del cristal cultivado sobre él sean lo más similares posibles y así evitar irregularidades, lo ideal es usar como sustrato el mismo tipo de material (sustrato nativo). Así se hace en el caso de los dispositivos a base de Silicio. En el caso de los LEDs rojos, naranjas y amarillos a base de Fosfuros de Galio, Aluminio e Indio se usan sustratos de GaAs o GaP. Cuando se usa el primero, comúnmente en un segundo paso se sustituye el sustrato de GaAs por otro de GaP, pues este último material es tranparente a la luz de las longitudes de onda entre el rojo y el amarillo, ayudando de esta forma a que más luz sea emitida fuera del encapsulado. El tipo de sustrato empleado es un problema importante en los LEDs UV, azules y verdes a base de InGaN y AlInGaN. El sustrato ideal sería el “nativo” de GaN, pero este material es inestable y propenso a tener defectos. Se han probado varias alternativas, como el zafiro, el Carburo de Silicio o el Silicio, pero en todas ellas hay un desajuste entre las estructuras cristalinas que tiene como efecto una pérdida de eficiencia. Para compensar este problema, se usa una fina capa intermedia (o plantilla) de GaN sobre el sustrato y sobre esta plantilla se cultiva diodo propiamente dicho. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 40 En la actualidad, la inmensa mayoría de los LEDs de Nitruros de Galio, Aluminio o Indio se fabrican sobre un sustrato de zafiro. El fabricante Cree, como excepción, siempre ha utilizado sustratos de Carburo de Silicio. Recientemente Bridgelux, Osram Opto Semiconductors, y la china Lattice Power han comenzado a producir LEDs azules de GaInN sobre sustratos de Silicio 20 . La empresa Soraa los ha comenzado a producir sobre sustratos nativos de Nitruro de Galio. Cada tipo de sustrato tiene sus ventajas e inconvenientes 2122 . • Zafiro: es la tecnología dominante. El grado de desajuste entre las estructuras cristalinas está en torno al 13%. Su principal ventaja es que es muy estable y el desajuste de los cristales se ha investigado en profundidad. La principal desventaja es su elevado coste. A largo plazo está condenado a dejar de utilizarse si se quieren alcanzar los objetivos buscados de reducción de costes. • Carburo de Silicio: presenta varias ventajas; es muy estable, las diferencias entre las redes cristalinas son sólo de 3,5% y tiene la mejor conductividad térmica. La desventaja es su elevado coste para cualquier otro fabricante que no sea Cree, que fabrica ese material desde antes de entrar en negocio de los LEDs y es el único que lo usa como sustrato. • Silicio: la principal ventaja es el coste, pues se pueden emplear las mismas obleas grandes que para los chips de silicio. Esto podría reducir hasta en un 70-80% el coste de producción de los LEDs. El problema es que cultivar Nitruro de Galio sobre Silicio es difícil, sobre todo porque los materiales se expanden y contraen a tasas muy diferentes y las diferencias en las estructuras cristalinas están en torno al 17%. • Nitruro de Galio: es teóricamente el sustrato perfecto. Al ser el sustrato del mismo material que el de la unión PN, no hay desajustes térmicos, ni tampoco entre las redes cristalinas, lo que reduce las pérdidas de eficiencia causadas por esos desajustes. Sólo Soraa, la empresa de Shuji Nakamura, el inventor del LED azul, posee por el momento la tecnología para fabricarlo. Para otros fabricantes resulta muy costoso. Método HVPE • Oxido de Zinc: es otra opción posible pero todavía está en periodo de investigación. Las diferencias entre las redes cristalinas son sólo de 2,2% y permitiría la fabricación de grandes obleas. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 41 8.- GESTIÓN TÉRMICA EN LOS LEDS 23 Los LEDs son fuentes luminosas mucho más eficientes que las lámparas incandescentes tradicionales, pero también en ellos la mayor parte de la energía eléctrica se trasforma en calor y solo una parte relativamente pequeña en luz. En las lámparas incandescentes en torno al 8% de la potencia eléctrica se transforma en luz visible y el resto en calor, un 78 % se radia al espacio sobre todo en forma de emisión infrarroja y un 19% se transfiere por convección a través del casquillo y por convección al aire. En los fluorescentes la proporción de luz visible se eleva al 21%, y el calor al 79%. En torno al 37% de la se radia en forma de IR y UV y el 45 % se evacua por conducción y convección. En la gráfica vemos el espectro de emisión de un tubo fluorescente Osram LUMILUX T5 HE de temperatura de color 2700K comparado con la curva de respuesta del ojo humano (visión fotópica) En los LEDs, con el estado actual de la tecnología entre el 25-40% de la potencia eléctrica consumida se transforma en luz visible, prácticamente no se emite radiación fuera del espectro de luz visible y el 60-75% se convierte en calor que debe ser evacuado por conducción desde el LED hacia la placa de circuito integrado y de esta hacia un disipador de calor que lo evacúa al aire circundante por convección. Figura: rendimiento térmico de diversas fuentes de iluminación. En Amarillo, calor radiado que se emite al ambiente directamente en la misma dirección que la luz emitida En Rojo, el calor emitido por conducción y convección En Verde, luz visible COND + CONV 60-75% Luz visible 25-40% LED ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 48 Se están desarrollando disipadores de nuevos polímeros y de espuma de grafito. Se han conseguido espumas de grafito que ofrecen una transferencia térmica mejor que el aluminio con un peso cuatro veces menor y a las se pueden dar formas bidimensionales complejas. Pueden añadirse tubos de calor (heat pipes) para transferir el calor desde la placa de circuito al disipador. Forma: la transferencia térmica se produce en la superficie del disipador. Por ello los disipadores se diseñan para que tengan una gran superficie. Esto se puede lograr usando un gran número de aletas o aumentando el tamaño del disipador. Emisión relativa de UV con diferentes fuentes 31 La situación y la orientación del disipador de calor son muy importantes para que éste lleve a cabo correctamente su función. Deben situarse de forma que se permita la circulación de aire por las aletas. Un disipador confinado en un Coeficiente de conductividad térmica (W/(m·K)) Densidad (kg/m 3 ) Aluminio 180-240 2700 Cobre 372-400 8900 Hierro 80 7900 Acero 47-58 7800 Espuma de grafito 50-245 30 400-800 LEDs de potencia montados sobre disipadores de calor. Abajo módulo LMH6 de Cree Lámparas LED de sustitución (rosca Edison) con disipadores de calor. Arriba lámpara de 50 W de Microled Plus de para sustitución de lámparas de vapor de sodio para iluminación. Abajo lámpara Ambient LED A-55 de 7 vatios de Philips ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 49 espacio pequeño y cerrado como el cuerpo de una luminaria no puede hacer bien su función. Respecto a la orientación, la óptima es aquella en la que todas las aletas están en posición vertical. Si se va a colocar el disipador en una orientación distinta a la especificada en su hoja de datos técnicos, debe aplicarse un factor de corrección a su resistencia térmica efectiva, a la hora de calcular su tamaño. Figura: efectos de la orientación de los disipadores de calor en su resistencia térmica ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 50 9.- ALIMENTACIÓN, CONEXIÓN Y CONTROL DE LOS LEDS Los LEDs son Fuentes luminosas de baja tensión que necesitan una tensión y corriente continua constante para funcionar correctamente. La luminosidad de un LED depende de forma prácticamente lineal de la intensidad de corriente directa que circula por él. Por tanto, para conseguir un flujo determinado de luz debemos alimentar el LED con una corriente constante que corresponda a ese flujo luminoso. La curva característica V-I de un LED es igual a la de cualquier diodo semiconductor, con una tensión umbral más alta que en los diodos de silicio (0,7V). Los LEDs de colores rojo y naranja, a base de GaInAlP, operan con tensiones umbral en torno a 1,9V. Los LEDs a base de GaInN de color ámbar, verde o azul y los normales de luz blanca, a base de LED azul +fósforos, tienen una tensión umbral en torno a 2,8V. Los LEDs individuales para iluminación funcionan con una tensión continua en torno a 3V y una corriente de centenas de miliamperio. Si se conectan varios LEDs en serie, con la misma corriente, la tensión aplicada al conjunto de LEDs en serie será la de un LED individual multiplicada por el número de LEDs. Figura. Curvas características V - I de distintos LEDs de la marca Philips Lumileds. A la izquierda corresponde a LEDs rojo, naranja y ámbar de GaInAlP y ámbar PC de GaInN, a la derecha LEDs verde y azul de GaInN Corriente directa (mA) Flujo luminoso relativo Figura. Flujo luminoso relativo en función de la corriente directa en un LED ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 51 Durante su funcionamiento, los LEDs deben protegerse de las fluctuaciones de tensión. Variaciones relativamente pequeñas de tensión pueden causar un cambio desproporcionado en la corriente que circula por el LED. En la gráfica de abajo de la figura vemos que un incremento de tensión del 3% (un aumento de una décima de voltio de 2,9V a 3V) supone un incremento de corriente del 50% (de 450mA a 700mA). El aumento de corriente haría a su vez variar la cantidad de luz emitida, que como se ha dicho, es proporcional a la corriente. Los fabricantes especifican un rango de corrientes permitidas. Si se excede la corriente máxima recomendada por el fabricante, el LED brillará más, pero la potencia consumida por dispositivo aumentará, con ella aumentará la temperatura en la unión del diodo, el dispositivo se irá degradando y su vida útil se acortará. Se considera que una fuente de luz ha alcanzado su vida útil cuando la luz emitida es sólo el 70% de la que emitía de nuevo. LÚMENES EN FRÍO Y LÚMENES EN CALIENTE El flujo luminoso emitido por un LED depende directamente de la magnitud de la corriente directa I f . El flujo luminoso típico para la I f nominal (normalmente 350 mA) aparece en las hojas de datos técnicos. La potencia de entrada necesaria para alcanzar el flujo luminoso típico se expresa en la siguiente ecuación: P = I f · V f , En la que V f es la tensión directa del LED o caída de tensión a la If nominal. A continuación se expresa la eficacia del LED como una razón entre el flujo luminoso típico y la potencia de entrada. Sin embargo, todos esos valores (flujo luminoso típico, I f y V f ) están referidos a una temperatura de la unión P-N T j = 25 °C. En este caso hablamos de “lúmenes en frío”. Pero en una luminaria real, la unión (área activa) del LED se calienta de forma significativa, ya que en el interior del LED una parte importante de la energía eléctrica es convertida en calor que debe ser disipado. La T j máxima permitida está entre 130 °C y 150 °C (dependiendo del tipo de LED). Temperaturas más altas dañarían irreversiblemente al chip del LED. El flujo luminoso del los LEDs disminuye al aumentar la T j . Por tanto, es necesario mantener la T j en el valor más bajo posible. El termino lúmenes en caliente se usa cuando hablamos del flujo luminoso emitido por un LED a T j de operación (70 – 120°C) después de que se han alcanzado un estado Figura. Curva características V-I de LED de luz blanca (led azul+fósforos) de la marca Philips Lumileds ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 52 estacionario. Por otro lado, al elevarse la temperatura de la unión disminuye la resistencia interna del chip del LED, lo que aumenta la eficacia del LED. Esta disminución se expresa con el “Coeficiente de temperatura de la tensión” (VT) en inglés (Figura). Características del LED Cree XP-E HEV Tenemos un flujo luminoso relativo del 100 % a una T j = 25 °C, pero sólo 70 % a T j = 150 °C (Figura 4.1.1). Partiendo de la ecuación: Eficacia = flujo luminoso relativo para T j / (Vf + ∆V) · I f ), En la que ∆V = (T j – 25) · VT, Podemos calcular la eficacia del LED Cree XP-E HEW que tiene un flujo luminoso = 114 lm a T j = 25°C cuando circula por él la corriente directa nominal de 350 mA (Figura) de la siguiente manera: ∆V = (25 – 25) · (-0.003) = 0 V, por tanto Eficacia = 114 / ((3 + 0) · 0.35) = 108.57 lm/W para I f = 350 mA, T j = 25 °C. Ahora calculamos la eficacia del LED a T j = 150°C, alimentado por la misma corriente (de la Figura 4.1.1 obtenemos un flujo luminoso = 79.8 lm a T j = 150 °C): ∆V = (150 – 25) · (-0.003) = -0.375 V, por tanto Eficacia = 79.8 / ((3 – 0.375) · 0.35) = 86.86 lm/W para I f = 350 mA, T j = 150 °C. Características Unidad Mínimo Típico Máximo Resistencia Térmica, unión-punto de soldadura °C/W 6 Angulo de visión (FWHM) – blanco grados 120º Coeficiente de temperatura de la tensión mV/°C -3 Clasificación ESD (HBM para Mil-Std-883D) Clase2 Corriente continua directa mA 1000 Tensión inversa V 5 Tensión directa (para 350 mA) V 3.0 3.5 Tensión directa (para 700 mA) V 3.15 Tensión directa (para 1000 mA) V 3.25 Temperatura de la unión del LED °C 150 Temperatura de la unión en ºC Flujo luminoso relativo Figura. Flujo luminoso relativo en función de Temperatura de la unión en ºC ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 53 La comparación de resultados nos muestra una ligera disminución de la potencia consumida cuando la unión está a temperatura alta pero un descenso relativamente pronunciado del flujo luminoso. Combinando los dos efectos vemos que la eficacia del LED disminuye al incrementarse la temperatura de la unión. En condiciones reales la T j siempre será superior a 25ºC, por tanto el parámetro de lúmenes en frío es atractivo pero inútil. En la práctica, la eficacia de los LED como fuentes luminosas es siempre inferior y depende de la temperatura ambiente. Por tanto durante el diseño de una luminaria hay que emplear el parámetro de lúmenes en caliente. 9.1.- ALIMENTACIÓN DE LOS LEDs Al operar con una tensión continua baja, los LEDs pueden adaptarse fácilmente a diferentes fuentes de energía (red, baterías…). Para adaptar los valores de la fuente de energía a las necesidades de los LEDs se requiere siempre un circuito de alimentación, que suele llamarse driver. Cuando los LEDs se conectan a una fuente de tensión continua, como en una linterna, el circuito de alimentación más básico es extremadamente sencillo. Cada LED necesita entre 3 y 3,5V de tensión directa, con una tolerancia que varía con cada dispositivo. Para alimentar un solo LED necesitamos una fuente de tensión de algo más de 3,5 V, por ejemplo tres pilas de 1,5V en serie. Para ajustar la tensión desde los 4,5V de las pilas en serie al valor preciso del LED, conectamos en serie con el LED una resistencia de polarización. Si tenemos que alimentar varios LEDs, por ejemplo 4, una opción es conectarlos en serie, a una fuente de tensión de algo más de 13-14 V con una resistencia de polarización. También podemos conectar los LED en paralelo, con una resistencia de polarización en cada rama, a una fuente de tensión continua de 4,5V. La resistencia de polarización consume potencia y disminuye la eficiencia energética del conjunto. Para minimizar las pérdidas de potencia en la resistencia se debe ajustar el valor de la fuente de tensión lo máximo posible a la tensión directa del LED y normalmente siempre se conectan varios LEDs en serie. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 54 Los LEDs son realmente dispositivos más complejos y la polarización a tensión constante resulta poco adecuada. Como veremos, la potencia eléctrica disipada en el LED hace subir la temperatura. Al aumentar la temperatura disminuye la tensión directa (la curva se desplaza hacia la izquierda), variando el punto de trabajo. Adicionalmente el flujo luminoso disminuye al incrementarse la temperatura. Una fuente de tensión constante de valor adecuado, con una resistencia de polarización es el modo más simple de alimentar un LED, pero para cualquier aplicación mínimamente exigente que requiera un control de la luminosidad del dispositivo, es más apropiada una fuente de corriente constante. Figura. LEDs conectados a una fuente de corriente constante 700mA Figura. LEDs conectados a una fuente de tensión constante 4,5V 14V 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Polarización de un LED con una fuente de tensión y una resistencia en serie para conseguir una corriente directa de 700 mA. En verde curva V-I del LED con Tj=75ºC, en azul Tj=25ºC, tomamos la de Tj=75ºC a) con una fuente de 4,5V la resistencia de polarización debe tener un valor de 4,5V/0,85A=5,3Ω b) con una fuente de 3,5V la resistencia de polarización debe tener un valor de 3,5V/1,5A=2,3Ω 4,5V 5Ω b) a) ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 55 9.2.- CONEXIÓN DE LOS LEDs Un solo LED no entrega luz suficiente para la mayoría de aplicaciones. Por tanto se conectan varios LEDs juntos para alcanzar los lúmenes de emisión deseados. Existen cuatro modos básicos de conectar LEDs: • En serie • En paralelo • En serie/paralelo • En matriz 9.2.1.- CONEXIÓN DE LEDS EN SERIE Cuando varios LEDs se conectan en serie todos emiten aproximadamente la misma cantidad de luz independientemente de que tengan diferentes caídas de tensión directa debidas a ligeras diferencias en su curva característica V-I. Esta conexión requiere un driver LED de corriente constante. Permanece estable en el caso de uno o varios LEDs de la tira entren en cortocircuito. Es un tipo de conexión ideal tanto para un control por corriente directa como para un control PWM. Se utiliza cuando se requiere una temperatura de color y un IRC estables. Ventajas: • Por todos los LEDs circula misma corriente, por tanto la temperatura de color (CCT) y el IRC permanecen estables. • Elevada eficacia. No necesita resistencias de polarización. • El circuito no se ve afectado si un LED se cortocircuita • Conexión ideal tanto para control por corriente directa como para control PWM Inconvenientes: • Si un LED falla y queda en circuito abierto, toda la tira se apaga • El driver es más caro 9.2.2.- CONEXIÓN DE LEDS EN PARALELO Tantas ramas como LEDs, y cada LED se conecta en serie a una resistencia de polarización. Esta conexión requiere un driver de tensión constante. En caso de fallo de un LED (circuito abierto o cortocircuito) el resto de los LEDs siguen luciendo. Se emplea principalmente para luces decorativas, cuando no se requiera un IRC o una CCT estables. Figura. LEDs conectados en serie ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 56 Ventajas: • Driver más barato • A prueba de fallos si un LED falla y queda en circuito abierto Inconvenientes: • Baja eficiencia (por el consumo de las resistencias de polarización) • Inestable si un LED falla y queda en cortocircuito • No puede utilizarse para control por corriente directa 9.2.3.- CONEXIÓN DE LEDS EN SERIE/PARALELO Al igual que en la conexión paralelo, se conectan los LEDs en varias ramas con una resistencia de polarización en cada una. En esta conexión, en cada rama se conectan varios LEDs en serie. Resulta más eficiente que la conexión paralelo pura, pero no tan resistente a los fallos como esta. La CCT y el IRC son más estables que en la conexión paralelo pura. Se alimenta con driver por tensión constante (barato). Esta conexión es adecuada para alimentar un gran número de LEDs, como por ejemplo en tiras largas decorativas. Ventajas: • Permite alimentar un gran número de LEDs Figura. LEDs conectados en serie/paralelo Figura. LEDs conectados en paralelo ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 57 • Sigue funcionando en caso de fallo. Si uno o varios LEDs quedan en cortocircuito, todos los demás siguen luciendo. Si uno queda en circuito abierto se apagan sólo los LEDs de su rama. Inconvenientes: • Menor eficiencia que en la conexión serie. • No puede emplearse con control por corriente directa. 9.2.4.- CONEXIÓN DE LEDS EN MATRIZ Con la conexión en matriz pueden alimentarse muchos LEDs a la vez manteniendo una CCT estable (incluso en el caso de fallo de alguno de los LEDs). La conexión de LEDs en matriz puede alimentarse tanto por corriente como por tensión constante. En caso de tensión constante hay que incluir una resistencia de polarización. Ventajas: • Permite alimentar a la vez un número grande de LEDs • Alta eficiencia • Permite utilizar control por corriente directa o PWM (cuando se usa con driver de corriente constante) • A prueba de fallos tanto si un LED queda en cortocircuito o en circuito abierto. Si un LED queda en circuito abierto el resto de LEDs sigue luciendo, si uno queda en cortocircuito se apagan todos los LEDs de su fila y el resto sigue luciendo. Inconvenientes: • Exige un diseño bastante complejo de la placa de circuito impreso Figura. LEDs conectados en forma de matriz ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 64 • Un filtro y un rectificador con puente de diodos que entrega una señal rectificada de onda completa. • Un convertidor conmutado elevador “boost” con control del factor de potencia que convierte la señal rectificada de onda completa en una señal continua regulada de alta tensión (400-500V) • Un regulador basado en el convertidor conmutado reductor “buck” que reduce el nivel de tensión hasta el voltaje requerido por el circuito con LEDs en serie o paralelo . 34 9.3.3.- LEDS DE ALTERNA Se conoce como LEDs de alterna a circuitos con LEDs y otros elementos que permiten su conexión directa a la red rectificada sin necesidad de circuitos regulares. Los LEDs están agrupados en grupos que van entrando en funcionamiento conforme la señal de la red va alcanzando unos determinados voltajes. Un circuito integrado va conectando los grupos de LEDs conforme varia la señal. Se considera que la oscilación de la luminosidad no se percibe. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 65 9.4.- ATENUACIÓN O CONTROL DE LA LUMINOSIDAD (Dimming) La atenuación de la luminosidad de una fuente luminosa o dimming puede realizarse de manera automática o manual. La atenuación automática busca normalmente mantener el nivel de iluminación de un espacio, compensando la variación de la luminosidad natural. La atenuación manual ofrece a los usuarios la flexibilidad de cambiar las características del espacio para hacerlo más agradable y productivo. En los dos casos la atenuación permite ahorrar energía. A nivel doméstico, la atenuación se desarrolló para fuentes de luz incandescente, sobre todo halógenas. Debido a las características de estas fuentes luminosas, la atenuación funciona muy bien. Al accionar el mando de un atenuador con una luz incandescente, La variación de brillo se percibe como progresiva a la vez que la tonalidad de luz se va haciendo más cálida hasta desvanecerse. La atenuación se consigue normalmente recortando de la señal alterna de la red, lo que implica que la corriente por el filamento de la lámpara se hace variar a una frecuencia del doble de la de la red (100 Hz), pero el ojo humano no percibe ningún efecto de parpadeo de la luz. Conforme se han ido desarrollando otras tecnologías de iluminación, como fluorescentes o de descarga de alta intensidad, y se les ha aplicado atenuación, el resultado ha sido mucho más deficiente, cuando no imposible. Como veremos, los LEDs permiten atenuar la luz de forma satisfactoria usando métodos relativamente simples. La eficiencia energética del dispositivo prácticamente no disminuye y la vida de la lámpara no se ve afectada por la atenuación, como a veces ocurre fluorescentes atenuados con frecuencia. Por el contrario, la atenuación puede alargar la vida útil de los LEDs, ya que se reducen las temperaturas de operación de los dispositivos. No obstante por varios motivos, se observan deficiencias de funcionamiento en muchos de los dispositivos atenuadores actualmente en el mercado, como un desagradable efecto de parpadeo o una atenuación que se percibe como poco progresiva. Los atenuadores de luz para LEDs reducen la luminosidad de forma aproximadamente lineal, pero la percepción del ojo humano a los cambios de nivel de iluminación sigue una función aproximadamente cuadrática. El ojo humano percibe con dificultad una atenuación pequeña de la luminosidad. De hecho, se ha comprobado en experimentos que más de la mitad de las personas no perciben en absoluto una variación del 20% del nivel de iluminación. (Del 100% al 80%) 35 Aproximadamente se cumple que: 12342 4o ) 5+ )41+ 5+ 464)2 4o ) 7+3 4845! % = 1009:12342 4o ) 3+2 5+ 464)2 4o ) % Siguiendo esta fórmula: - Una disminución del nivel de iluminación a la decima parte (10%) se percibe como una atenuación al 32% - Una disminución del nivel de iluminación al (5%) se percibe como una atenuación al 22% ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 66 - Una disminución del nivel de iluminación a la centésima parte (1%) se percibe como una atenuación al 10% Debido a esta característica de nuestra visión, la atenuación lineal del nivel de iluminación se percibe como deficiente. No se percibe prácticamente hasta llegado a un punto y en el último tramo se percibe una atenuación brusca. Para que pueda percibirse como adecuada y progresiva la atenuación debe llegar a niveles muy bajos del 1% de la luminosidad máxima e incluso mayores, pero la atenuación de LEDs se va haciendo más difícil a esos niveles. En cualquier caso, aunque no se perciba claramente, una atenuación pequeña supone una reducción prácticamente lineal del consumo, por lo que tiene sentido aplicarla para ahorrar energía cuando la luminosidad máxima no sea necesaria para la actividad que se desarrolla. Existen tres métodos de conseguir la atenuación de la intensidad luminosa con LEDs: recortando la señal alterna mediante reguladores de fase con triacs o tiristores, regulando la intensidad de corriente o mediante modulación por anchura de pulsos. 9.4.1.- ATENUACIÓN POR RECORTE DE LA SEÑAL DE FASE DE LA RED Muchos de los atenuadores de luz existentes en el mercado y más aun los equipos antiguos que hay en hogares y negocios, se diseñaron para lámparas incandescentes halógenas y emplean dispositivos de control de fase que recortan la señal alterna mediante tiristores o triacs. La atenuación de luz por este método funciona muy bien con las luces halógenas. Existen en el mercado lámparas LED que se han diseñado para reemplazar a lámparas halógenas del mismo formato (por ejemplo las MR 16), y se anuncian ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 67 como totalmente compatibles con las luminarias y equipos existentes, incluyendo los transformadores y los atenuadores de luz, pero cuando las lámparas halógenas se reemplazan por lámparas LEDs, el funcionamiento de la atenuación es a veces claramente deficiente. Sin embargo, las deficiencias de funcionamiento que se pueden ver en el práctica, normalmente no se deben a las características de la fuente LED, sino que más bien son el resultado de los problemas de compatibilidad de fuente LED con equipos heredados. Muchos de los drivers incorporados en las lámparas LED, no están diseñados para funcionar con estos atenuadores tan bien como las lámparas halógenas La regulación de fase no es un sistema adecuado para LEDs. Este tipo de regulación produce en los LEDs efectos mucho más complejos, lo que conduce a problemas técnicos significativos, el más importante es un efecto parpadeo desagradable. Este parpadeo percibible, se debe a que la conmutación en la regulación se produce a una frecuencia demasiado baja, concretamente al doble de la frecuencia de la red (100 Hz en las redes eléctricas europeas) a niveles elevados de atenuación se puede percibir una desagradable oscilación de la luminosidad a esa frecuencia. 9.4.2.- ATENUACIÓN POR CONTROL DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE DIRECTA Dado que los LEDs emiten más o menos luz en función de la magnitud de la corriente directa, la forma más sencilla de de controlar la intensidad de la luz emitida por un LED es variando el valor de la intensidad de la corriente directa. La figura siguiente muestra el flujo luminoso relativo en función de la corriente directa. El cambio del flujo luminoso depende del cambio de la corriente directa de forma casi lineal; por lo tanto el cálculo de un algoritmo de control es muy sencillo. Sin embargo, la alteración del valor de la intensidad de corriente directa conlleva un desplazamiento en las coordenadas cromáticas, lo que afecta directamente a parámetros cualitativos de la luz emitida (Índice de reproducción cromática IRC, temperatura de color CCT) Corriente directa (mA) Flujo luminoso relativo Figura. Flujo luminoso relativo en función de la corriente directa ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 68 Tenemos Cx = 0.440 y Cy = 0.408 (correspondientes a CCT = 2985 K) a IF = 350 mA. Si disminuimos IF a 100 mA, las coordenadas cromáticas se desplazan Cx = 0.448 y Cy = 0.406 (correspondientes a CCT = 2838 K), lo que supone una diferencia de 147 K (Figura). Esta diferencia se incrementa al considerar el desplazamiento de las coordenadas cromáticas con la variación de la temperatura de la unión. A 20 ºC tenemos Cx = 0.436 y Cy = 0.406 (correspondientes a CCT = 3036 K), y a = 100 °C tenemos Cx = 0.428 y Cy = 0.399 (CCT=3121 K), lo que supone una diferencia de 85 K. Esto puede suponer una diferencia en Temperatura de color de la luz apreciable y en algún caso desagradable, sobre todo si atenúan simultáneamente varias luminarias. Ventajas del control por corriente directa: No hay parpadeo. Desventajas: La temperatura de color (CCT) cambia al atenuar la luz. En todo caso se observa que el cambio sigue el mismo patrón que en las luces incandescentes y halógenas, al que estamos habituados, es decir al disminuir la luminosidad, la luz toma un tono más cálido y al aumentar la luminosidad un tono más frío. 9.4.3.- ATENUACIÓN POR CONTROL PWM Otra forma de controlar la intensidad de luz de una fuente LED es el método de modulación de anchura de pulsos (PWM). El principio de PWM se basa en alimentar al LED con una corriente constante que es conectada y desconectada periódicamente. La proporción entre la duración de los periodos de encendido y apagado definirá la intensidad de la luz del LED. La frecuencia de conmutación es suficientemente elevada como para que el ojo humano perciba un flujo de luz constante de una intensidad dependiente del ciclo de trabajo de la PWM. En la figura siguiente se muestra ejemplos de señal PWM con ciclos de trabajos del 50 % y del 70 %, respectivamente. Desplazamiento de las coordenadas cromáticas x,y=f(T j ): I f =350mA Desplazamiento de las coordenadas cromáticas x,y=f(I f ): T s =25ºC Figura: desplazamiento de las coordenadas cromáticas LED OSRAM LCW W5PM a) Corriente directa If b) Temperatura de la unión Tj ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 69 Ventajas de la modulación por anchura de pulsos (PWM): Temperatura de color (CCT) estable durante todo el rango de atenuación de luz. Inconvenientes: Puede aparecer un efecto de parpadeo cuando la luz de la luminaria se atenúa. 9.5.- CARACTERÍSTICAS ADICIONALES DE LOS DRIVERS DE LEDS 36 9.5.1.- INTERFAZ ANALÓGICA Es el método más sencillo para controlar el brillo de una luminaria. Las interfaces analógicas se utilizan en la industria de iluminación exclusivamente para atenuadores de luz. Es el sistema de regulación más utilizado para el comercio minorista (por ejemplo, puntos de luz en las tiendas). Su inconveniente es que no es posible apagar la luminaria por medio de la atenuación analógica. Hay dos tipos fundamentales de interfaces analógicas: • TE / LE – Por flanco de subida o de bajada (regulación mediante tiristores) - sólo puede atenuarse una luminaria. • Atenuación 0-10 V, 1-10 V - admite controlar más de una luminaria simultáneamente. 9.5.2.- INTERFAZ DIGITAL Las interfaces digitales ofrecen la posibilidad de conectar varios drivers LED a través de una interfaz digital, y controlarlos de forma independiente. También permite leer el estado de cada luminaria. Las Interfaces digitales son compatibles con los atenuadores de luz, sensores de presencia, controles remotos, sistemas de iluminación escénica, ajuste del tono de la luz blanca, etc. Se trata de la solución ideal para instalaciones o proyectos con gran número de luminarias de diversos tipos. Interfaces digitales utilizados en la industria de iluminación: Figura: Ejemplos de señal modulada por anchura de pulsos (PWM) a) Ciclo de trabajo del 50% b) Ciclo de trabajo del 70% Figura. Interfaz DALI ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 70 • DALI-Digital Addressable Lighting Interface (Interfaz digital direccionable para iluminación). El más utilizado • DSI-Digital Signal Interface (Interfaz de señal digital) • DMX-Digital Multiplex • KNXestándar internacional para todas las aplicaciones de control de viviendas y edificios 9.5.3.- AJUSTE DE LA TONALIDAD DE LA LUZ BLANCA Si duplicamos algunos componentes electrónicos dentro del driver, podemos conectar y controlar dos tipos de LEDs con diferente temperatura de color (blanco frío y blanco cálido). Esto permite ajustar la temperatura de color de la luz emitida por la luminaria dependiendo de las horas del día o de las actividades que se están realizando, consiguiendo siempre el ambiente más agradable. 9.5.4.- REALIMENTACIÓN TÉRMICA Incluyendo un sensor de temperatura en el sistema de control de la luminaria, se puede disminuir la corriente de alimentación en función de la temperatura real de los LEDs, con el fin de evitar un sobrecalentamiento en caso de temperatura ambiente excesiva. De esta manera se puede preservar fácilmente la vida útil de la fuente de luz LED Sensor de temperatura Figura. Realimentación térmica Blanco cálido Blanco frío Figura. Ajuste de la tonalidad de la luz ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 71 9.5.5.- CONTROL REMOTO El driver de una luminaria LED puede incluir una función de control remoto para controlar las funciones de la luminaria mediante un mando inalámbrico 9.5.6.- UNIDAD DE EMERGENCIA Un driver o controlador LED con función de emergencia comprueba continuamente la señal de la red (Figura) y en caso de apagón, el driver comienza a suministrar energía a la luminaria desde unas baterías. Normalmente las baterías de las unidades de emergencia tienen capacidad para alimentar a la luminaria en el modo de emergencia de 1 a 3 horas. Figura. Control remoto Sensor de temperatura Figura. Realimentación térmica ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 72 10.- EL COLOR EN LA ILUMINACIÓN CON LEDS 10.1.- SISTEMAS DE MEDIDA DEL COLOR 10.1.1.- EL SISTEMA MUNSELL Albert H. Munsell, un profesor de arte que enseñaba en el Rochester Institute of Technology (Rochester, Nueva York) a finales de 1800 y principios de 1900, creó una notación de color - el sistema de color de Munsell - para definir una gama muy amplia de colores. Para definir los colores, Munsell empleó tres parámetros: • el tono o matiz (en inglés hue) que es la longitud de onda dominante del color y la cualidad que lo distingue de los demás. No tiene cuenta si el color es oscuro o claro, fuerte o débil. • la luminosidad, es decir la claridad u oscuridad (value) • la saturación, es decir la intensidad o pureza del color (chroma). También se puede definir por la cantidad de gris que contiene: mientras más gris, más neutro es un color, es menos brillante o menos “saturado”. Siguiendo el modelo del círculo de color de Newton, el sistema Munsell representa los colores en un círculo dividido en 100 partes iguales, una para cada tono o matiz. Cada tono se define por una o dos letras y un número. Las letras son las iniciales en inglés de cinco colores puros: R (rojo), Y (amarillo), G (verde), B (azul), P (morado), y dos letras para los colores intermedios entre dos puros: YR (amarillorojo o naranja), GY (verde-amarillo), BG (azul-verde), PB (morado-azul), RP (rojomorado). La definición del tono se completa con unos números de 1 a 10 a intervalos de 0,5. El 5 corresponde al color puro. Así un rojo puro sería 5R, y un rojo ligeramente amarillento sería 7.5R. Dentro del círculo se asigna una unidad de distancia radial para cada diferencia perceptible en la saturación del color. Puesto que hay mayores diferencias perceptibles en algunos matices, la figura se puede hinchar, por ejemplo hasta 24 valores para algunos matices, y ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 73 sólo en hasta 10 de otros. Un rojo grisáceo o poco saturado sería por ejemplo un 4 y un rojo intenso un 13. Perpendicular al plano formado por el matiz y la saturación está la escala de brillo dividida en valores desde 0 (negro) hasta 10 (blanco). Un color ocupa un punto en el espacio de color así definido, y está especificado en la forma tono luminosidad/saturación. Por ejemplo: 7.5R 6/4 es un rojo ligeramente amarillento claro y grisáceo (poco saturado) 4.5R 4/13 es un rojo muy ligeramente violáceo, oscuro y muy intenso. El sistema MUNSELL incluye una gran colección de muestras de color que permite la comparación, con muestras adyacentes basadas en las diferencias de color percibidas. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 80 10.4.- EL ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA Una característica importante de una fuente de luz blanca es su capacidad para mostrar los auténticos colores de los objetos, como frutas, plantas, prendas de vestir o la piel humana, que están siendo iluminados por esa fuente. Con colores auténticos, queremos decir los colores tal como se muestran cuando son iluminados por la luz del sol. La necesidad de medir esta característica de la luz blanca surgió con la generalización del uso en oficinas de las luces fluorescentes en los años 1950s, que en sus primeras versiones producían una luz bajo la que el color de la piel o la ropa presentaba unos cambios de tonalidad desagradables respecto a la luz natural. La CIE comenzó en 1948 un proceso para desarrollar un método para evaluar la calidad de la representación de los colores de las fuentes de luz. La primera versión del Índice de Reproducción Cromática se publicó en 1965 y posteriormente se revisó en 1974 para incluir los “efectos psicofisiológicos de la adaptación cromática”. Índice de Reproducción Cromática en siglas IRC es la traducción generalmente aceptada del inglés Color Rendering Index o CRI. Puede tener un valor máximo de 100 que corresponde a luz natural o incandescente. En las figuras, vemos un mismo objeto iluminado por fuentes luminosas de distintos IRCs y podemos ver claramente que los colores de los objetos aparecen más vivos y ricos cuando son iluminados por una fuente de IRC elevado 44 IRC 90 IRC 70 IRC 50 IRC 90 IRC 72 ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 81 Un IRC muy elevado (90 o superior) es fundamental en lugares como museos o galerías de arte. Un IRC alto es también importante en comercios de ropa o alimentos o en restaurantes y en menor grado en hogares u oficinas. Su importancia es mucho menor en iluminación exterior, en lugares como calles o aparcamientos y resulta totalmente irrelevante cuando las luces blancas se usan como señales o indicadores. En 1986, una guía de CIE sobre iluminación interior incluía esta tabla orientativa: IRC Ejemplos de uso > 90 Galerías de arte 80 – 90 Hogares, restaurantes, industria textil 60 – 80 Oficinas, colegios, industria ligera 40 – 60 Industria pesada 20 – 40 Exteriores Obviamente, esta lista estaba muy influenciada por las tecnologías de iluminación dominantes en ese momento, que incluía lámparas fluorescentes de halofosfatos en interiores, lámparas de descarga de vapor de mercurio en naves industriales y lámparas de vapor de sodio de baja presión para iluminación de carreteras. La mejora de la tecnología en los fluorescentes, y la aparición o generalización de otras tecnologías que ofrecen similares o mejores rendimientos con mejor reproducción cromática, como las lámparas de halogenuros metálicos o los LEDs de luz blanca, permiten establecer estándares más exigentes en todos los ámbitos La capacidad de reproducción de colores de una fuente de luz se evalúa comparándola con la capacidad de reproducción de colores de una fuente luminosa de referencia 45 . Para calcular el IRC, la fuente de referencia se elige: • Si el punto cromático de la fuente a evaluar se encuentra en la curva de Planck, la fuente de referencia es un radiador de cuerpo negro con la misma temperatura de color que la fuente evaluada • Si el punto cromático de la fuente a evaluar se encuentra fuera de la curva de Planck, la fuente de referencia es un radiador de cuerpo negro de Planck, con la misma temperatura de color correlativa que la fuente ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 82 evaluada. Es decir, una fuente de Planck cuyo punto de cromaticidad esté a la menor distancia posible del de la fuente de prueba. • Como alternativa, se puede utilizar como fuente de referencia uno de los iluminantes estandarizados por la Comisión Internacional de la Iluminación CIE 46 . Idealmente, la fuente de prueba y la fuente de referencia deben tener las mismas coordenadas de cromaticidad y flujo luminoso. Por convención, se asume que la fuente de referencia del cuerpo negro de Planck tiene propiedades de rendimiento cromático perfectos y por lo tanto su índice de rendimiento cromático es IRC= 100. Esta convención se acordó porque la luz natural se parece mucho a la fuente de cuerpo negro de Planck. Cualquier iluminante distinto de la fuente de referencia tiene necesariamente un índice de rendimiento cromático inferior a 100. Como el IRC depende sensiblemente de la elección de la fuente de referencia, la selección de la fuente de referencia es de importancia crítica en el cálculo de los IRCs de las fuentes de prueba. Debido a que el espectro de emisión de una lámpara incandescente es muy cercano al de un radiador de cuerpo negro de Planck, estas lámparas tienen el IRC más alto posible y por lo tanto las mejores propiedades de rendimiento cromático de todas las fuentes de luz artificial. Las lámparas incandescentes halógenas de cuarzo se utilizan en lugares donde la representación de color es de gran importancia, como por ejemplo en los museos, galerías de arte y tiendas de ropa. La desventaja de las lámparas de cuarzo-halógenas es su elevado consumo. Además de la fuente de prueba y la fuente de referencia, las muestras de color de prueba son fundamentales en la determinación del IRC de una fuente de prueba. Muestras de prueba de color se podrían derivar de objetos reales, por ejemplo, fruta, flores, madera, muebles y ropa. Sin embargo, en aras de la normalización internacional, se eligió un conjunto específico de 14 muestras de prueba de color con el propósito de determinar el IRC. Estas 14 muestras de prueba de color son un subconjunto de una colección más grande de muestras de prueba de color creada por Munsell. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 83 El IRC general de la CIE o R a es un promedio calculado de acuerdo con ; < o IRC general =  % ∑IRC H % IJ En el que los IRC i son los IRCs para un juego de las 8 primeras muestras de color de prueba en colores pastel (claros). Los índices especiales de rendimiento cromático (los de cada muestra) se calculan por: IRCi = 100 − 4.6 ∆Ei* Donde ∆Ei* representa el cambio de color cuantitativo que ocurre cuando una muestra de color de prueba es iluminada primero por una fuente de referencia y después por la fuente de prueba. Los índices especiales de rendimiento cromático se calculan de forma que tengan un valor de 100 cuando no haya diferencia en la apariencia de color. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 84 Se estableció el factor 4,6 para que el IRC general fuera 60 cuando se usaba como fuente de prueba una lámpara fluorescente estándar de luz blanco cálido con un radiador de cuerpo negro como fuente de referencia. Además de esas muestras de color (con números 1-8) usadas para calcular el índice de reproducción cromático general, se utilizan seis muestras más (con números 9-14) para evaluar en más detalle las capacidades de representar colores de una fuente luminosa. De estas muestras suplementarias, cuatro tienen colores saturados, la 13 es un rosa pálido para representar la piel humana y el 14 es un color verde hoja. Una iluminación con IRC entre 85 y 90 se considera que es muy buena representando el color de los objetos y las fuentes luminosas con IRC 90 o superior son excelentes y son las únicas que se emplean para tareas en las que se necesita una discriminación de colores muy precisa. Estudios académicos sobre el tema han llegado a la conclusión de que diferencias en el IRC menores a 5 puntos pasan prácticamente desapercibidas y pueden considerarse irrelevantes. Así, podemos decir que no hoy apenas diferencia entre un IRC 90 o 93. El IRC ha sido durante 40 años un método útil para evaluar la calidad de representación de colores de las fuentes de luz fluorescente y de descarga de alta intensidad y para fomentar la mejora de esas tecnologías. Su implantación sirvió para promover el desarrollo y comercialización de fósforos a base de tierras raras para lámparas fluorescentes y hoy en día los IRCs de las lámparas fluorescentes están entre 85 y 95. Para diseñadores y consumidores en lo referente a tecnologías fluorescente y de descarga, es suficiente con saber que un índice 90 o superior es bueno y uno menor de 80 es malo. Fuente luminosa CCT (K) IRC lm/W Fuente luminosa CCT (K) IRC lm/W Incandescente convencional 2800 100 6-16 Vapor de mercurio 3600 4060 40-75 Incandescente halógena 3200 100 16-30 Vapor de sodio baja presión 1800 -44 200 Fluorescente compacto 27005000 8090 46-80 Halogenuro metálico 42005400 7595 75-125 Lámpara LED blanco frio 5000 7580 60-90 Vapor de sodio alta presión 2100 25 100150 Lámpara LED blanco cálido 2700 8085 60-90 Fluorescente de halofosfato blanco frío 4200 5075 50-75 Lámpara LED de IRC alto 2700 9095 50-59 Fluorescente trifósforo blanco frío 4080 89 85-108 Sistema LED hibrido 27004000 9398 110 Fluorescente trifósforo blanco cálido 2940 80 75-95 ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 85 10.4.1.- EL IRC CON FUENTES LUMINOSAS LED 47 REPRODUCCIÓN CROMÁTICA DE LAS FUENTES LED RGB Con la llegada de la iluminación con LEDs (o de estado sólido) surgieron debates que han puesto en cuestión la validez de IRC. El problema surge sobre todo cuando se mide el IRC de fuentes LED RGB, que generan luz blanca a base mezclar en determinadas proporciones la luz de LEDs monocromáticos rojos, verdes y azules. Fuentes de luz de esta tecnología con una calidad de reproducción de colores muy agradable a la vista, tienen IRCs sorprendentemente bajos. En 2005 se presentó la primera luminaria comercial LED RGB. Generaba una luz blanca cuya temperatura de color podía variarse desde 3000 a 6500 Kelvin. La calidad de luz que generaba impresionó a los asistentes a la presentación muy favorablemente por sus propiedades de reproducción cromática, a simple vista claramente superiores a la de los LEDs de luz blanca fría a base de fósforo amarillo YAG, que en ese momento tenían un IRC en torno a 75. En cambio, para la fuente RGB, el IRC variaba desde 25 a 3000K, hasta 40 a 6500K. Esa fuente sólo cumplía por tanto los estándares de la CIE para uso en iluminación exterior, como las de vapor de mercurio o sodio, cuya calidad de reproducción de colores es a simple vista muchísimo más deficiente. Este IRC tan bajo resulta a primera vista sorprendente si se compara el espectro de emisión de las fuentes LED RGB con el de una lámpara fluorescente trifósforo, que emplea una técnica de generación de luz similar. Comparando los espectros de emisión, resulta extraño que la fuente fluorescente tenga un IRC entre 85 y 90 y la LED RGB para una CCT similar tan solo 27. Estudiando los espectros en más detalle, la diferencia está en las longitudes de onda de los picos de emisión. Para los fluorescentes se calculó que las longitudes de onda dominantes ideales eran 450 nm (azul), 545 nm (verde) y 610 nm (rojo). ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 86 En cambio las longitudes de onda de los LEDs usados en fuentes RGB son 465 nm, 525 nm y 615 nm. El problema principal es el LED verde. Si su longitud de onda fuera 545 nm en vez de 525 el IRC subiría hasta 85. En estudios sobre mezcla de colores con LED considerando un cuarto color, el amarillo (RGYB), se llegó a la conclusión de que las longitudes de onda ideales serían 456-459 nm (azul), 535 nm (verde), 573 (amarillo) y 614 nm (rojo) El problema es que existe un hueco en el espectro de emisión, en los verdes y amarillos, en el que no se ha logrado fabricar LEDs eficientes. Actualmente la eficiencia de los LEDs verdes y amarillos es muy inferior a la de los azules y rojos. Esas longitudes de onda resultan demasiado cortas para LEDs a base de AlInGaP y demasiado largas para los de InGaN. La longitud de onda de LEDs verdes de InGaN de una eficiencia razonable es como máximo de 530 nm con la tecnología actual. La luz blanca producida por luminarias LED RGB con cambio de color, tiene una apariencia muy buena pero, con los LEDs verdes actuales, está condenada a tener valores de IRC inaceptablemente bajos. La CIE reconoció en 2007 48 que el IRC es deficiente para evaluar ese tipo de fuentes luminosas y recomendó el desarrollo de un nuevo sistema de medición del rendimiento cromático para todas las fuentes de luz blanca. Científicos de la agencia de normalización de los EEUU (NIST) desarrollaron un índice con 15 muestras de color llamado CQS y se han propuesto otros, pero no se ha alcanzado ningún acuerdo general para reemplazar el IRC, ni parece que esto vaya a lograrse en breve. Muestras de colores del índice CQS CALIDAD DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA DE LAS FUENTES LED AZUL+FÓSFORO El rendimiento óptico de esta arquitectura LED es bastante eficaz por dos razones. En primer lugar, los LED InGaN azules son muy eficientes en convertir la energía eléctrica que se les suministra en la potencia óptica. La eficacia luminosa de un LED se define como la potencia óptica en vatios radiantes de la luz que sale del LED dividida por la potencia eléctrica de entrada en vatios. Para un LED azul típico de InGaN, la eficiencia es del 30-35%. A pesar de esta alta eficiencia, los LEDs azules tienen muy poca eficacia luminosa porque el ojo es poco sensible a las longitudes de onda azules. De hecho, la sensibilidad de los ojos es lo que hace que el indicador principal de mérito sea la eficacia medida en lúmenes por vatio en lugar de la eficiencia. Para corregir esto, se añadió al LED azul un fósforo amarillo, cuyo espectro de emisión se ajusta bien a la ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 87 curva de respuesta espectral del ojo, V (λ). Así se consiguió un LED que emite luz blanca fría. La mayor parte de la eficacia luminosa de un LED blanco se debe a la luz amarilla emitida por el fósforo y muy poca se debe a la luz azul que atraviesa el fósforo (Fig. 4). Si no nos preocupara el rendimiento cromático o que las coordenadas de cromaticidad del LED estuvieran cerca de la curva de Planck, podríamos fabricar un LED de eficacia luminosa súper alta usando un fósforo, cuyo espectro de emisión coincida con la curva V (λ) tan estrechamente como sea posible y luego hacer la capa de fósforo lo suficientemente gruesa como para que toda la luz azul del LED azul sea absorbida por el fósforo. Aunque haciendo coincidir el espectro de emisión de un LED con la curva V (λ) lo más posible lograremos una luz muy eficiente y por lo tanto brillante, no produciremos luz blanca. Por eso, necesitamos un poco de luz en los extremos azul y rojo del espectro, aunque la luz en esas longitudes de onda aporte poco a la luminosidad percibida por el ojo. Para los LED de luz blanca fría esto es bastante fácil de lograr, simplemente dejando pasar suficiente de la luz azul del LED a través del fósforo. Los LEDs de luz blanca fría convencionales a base LED azul y fósforo amarillo de YAG tienen IRCs del orden de 70-75. Además, estos LEDs blancos convencionales, tienen especial dificultad para mostrar el rojo profundo, por lo que dan un IRC muy bajo para la muestra 9. Una buena reproducción del rojo saturado se considera necesaria para representar con fidelidad el color de la madera o el de la piel humana. Por ello, se ha establecido como normal, en fuentes de luz con LED, indicar además del IRC general o R a , el correspondiente a la muestra 9 (R9). Algunos estándares marcan un mínimo exigible en ese índice. 49 Fig. 4. ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 88 En general, en lo que respecta a LEDs a base de LED azul+fósforos, cuanto más alto es el IRC más baja es la eficacia luminosa (lúmenes/vatio). Aunque un IRC>80 se ha venido considerando como suficientemente bueno para uso doméstico, recientemente se han introducido estándares muy exigentes, que promueven IRCs 90 o superiores. Los LEDs de luz blanca cálida se consiguieron añadiendo otros fósforos verde o rojo y verde. Así, además de una luz más agradable para uso doméstico, se consiguieron IRCs superiores a los de luz blanca fría, en torno a 80-85. En estos LEDs, la luz emitida por el fósforo debe tener suficiente potencia en el extremo rojo del espectro para crear la temperatura de color blanco cálido. Para un LED de 2700K, se eligen fósforos con un amplio espectro de emisión que tengan el pico de emisión en torno a 590 a 630 nm. Conforme se usan fósforos cuyo pico de emisión está más alejado de la longitud de onda del azul excitador, aumentan las perdidas por desplazamiento de Stokes. Además, los fósforos rojos actuales generan una gran cantidad de luz más allá de 650 nm, donde el ojo humano es muy poco sensible, lo que contribuye poco a la eficacia luminosa de los LED. Esta es la razón por la que LEDs con una temperatura de color más baja presentan una menor eficacia luminosa que los LEDs de la misma familia con temperaturas de color más frías. En la figura vemos superpuestos tres A la derecha: distribuciones espectrales de emisión típicas de una fuente de luz blanca cálida (En negro) y blanca fría (en azul) con LEDs blancos convencionales a partir de LED azul+ fósforos. En rojo: espectro de la muestra 9 (rojo fuerte) del Índice de Reproducción Cromática de la CIE A la derecha: ejemplos de IRCs especiales de LEDs blancos convencionales para las 14 muestras de color ILUMINACION CON LEDS espectros correspondientes lámparas LED Cree XR de color y CRI. En azul con temperatura de color de 5000K y CRI 75, en 3700K y CRI 7580 y en rojo 2600K y CRI 80. ALTO IRC, TEMPERATURA DE COLOR CÁLIDA Los LEDs con baja temperatura de color un IRC alto son deseables en aplicaciones residenciales de calidad. Para lograr esa combinación, se necesita más luz de longi tud de onda larga (600 onda medianas y cortas. Se han utilizado varios métodos para conseguir fuentes de luz blanca con LEDs y fósforos con IRCs altos, 90 y superiores. El deseable ancho de banda de emisión estrecho tiene por objeto evitar desperdiciar potencia en longitudes de onda por encima de 650 nm donde la del ojo humano es menor. En el caso del amarillo o el verde, n luz emitida sea de banda estrecha, pues el ojo humano tiene sensibilidad en una gama más amplia de longitudes de onda en esta región. Por el momento no se han conseguido fósforos rojos de un ancho de banda de emisión adecuado . Con este costa de reducir la eficiencia en lm/W. Un efecto similar se consigue si se utiliza, en vez de un LED azul, uno violeta o ultravioleta próximo, en ambos casos se necesita un fósforo adicional que convierta la luz del LED en luz azul. Las pérdidas por desplazamiento de Stokes son en esos casos aún mayores que en los LEDs azules, lo que hace disminuir la eficacia de la fuente luminosa. Toshiba (Japón) (TRIR) y Soraa (EEUU) (vp3 vivid color), producen fuentes de luz de luz blanca de elevado IRC con LEDs violeta y tres fósforos (azul, verde y rojo). 89 espectros correspondientes lámparas LED Cree XR - E de diferentes temperaturas de color y CRI. En azul con temperatura de color de 5000K y CRI 75, en 80 y en rojo 2600K y CRI 80. 50 ALTO IRC, TEMPERATURA DE COLOR CÁLIDA Los LEDs con baja temperatura de color un IRC alto son deseables en aplicaciones residenciales de calidad. Para lograr esa combinación, se necesita tud de onda larga (600 - 700 nm) con respecto a longitudes de onda medianas y cortas. Se han utilizado varios métodos para conseguir fuentes de luz blanca con LEDs y fósforos con IRCs altos, 90 y superiores. 51 Un método consiste en usar un LED azul con una combinación de dos fósforos. El fósforo principal se desplaza hacia el lado azul del espectro y se añade un segundo fósforo rojo con un ancho de banda deseablemente más estrecho y un pico de emisión en torno a 610 620 nm. Este segundo fósforo añade la necesaria potencia al extremo rojo del espectro. El deseable ancho de banda de emisión estrecho tiene por objeto evitar desperdiciar potencia en longitudes de onda por encima de 650 nm donde la del ojo humano es menor. En el caso del amarillo o el verde, n o se requiere que la luz emitida sea de banda estrecha, pues el ojo humano tiene sensibilidad en una gama más amplia de longitudes de onda en esta región. no se han conseguido fósforos rojos de un ancho de banda de . Con este método, se han logrado IRCs hasta 95, pero a costa de reducir la eficiencia en lm/W. Un efecto similar se consigue si se utiliza, en vez de un LED azul, uno violeta o ultravioleta próximo, en ambos casos se necesita un fósforo adicional que luz del LED en luz azul. Las pérdidas por desplazamiento de Stokes son en esos casos aún mayores que en los LEDs azules, lo que hace disminuir la José Luis Grande E de diferentes temperaturas de color y CRI. En azul con temperatura de color de 5000K y CRI 75, en verde Los LEDs con baja temperatura de color un IRC alto son deseables en aplicaciones residenciales de calidad. Para lograr esa combinación, se necesita 700 nm) con respecto a longitudes de Se han utilizado varios métodos para conseguir fuentes de luz blanca con LEDs Un método consiste en usar un LED azul con una combinación de dos fósforos. El fósforo principal se desplaza hacia el lado azul del espectro y se añade un segundo fósforo rojo con un ancho de banda deseablemente más estrecho y un pico de emisión en torno a 610 - 620 nm. Este segundo fósforo añade la necesaria potencia al extremo rojo del espectro. El deseable ancho de banda de emisión estrecho tiene por objeto evitar desperdiciar potencia en longitudes de onda por encima de 650 nm donde la del o se requiere que la luz emitida sea de banda estrecha, pues el ojo humano tiene sensibilidad en no se han conseguido fósforos rojos de un ancho de banda de método, se han logrado IRCs hasta 95, pero a Un efecto similar se consigue si se utiliza, en vez de un LED azul, uno violeta o ultravioleta próximo, en ambos casos se necesita un fósforo adicional que luz del LED en luz azul. Las pérdidas por desplazamiento de Stokes son en esos casos aún mayores que en los LEDs azules, lo que hace disminuir la ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 96 A continuación le mostramos algunos de los conectores o casquillos más utilizados: Conector E14 Utilizada en bombillas led de pequeño tamaño, como las bombillas vela o bombillas de gota. Ejemplos: Bombilla led 6W E14, Bombilla led 4W tipo vela E14 E27 El casquillo más extendido en Europa. Lo llevan las bombillas incandescentes, fluorescentes compactas, de halogenuros metálicos... Ejemplos: Bombilla led 7W E27, Bombilla PAR 7W E27 E40 Igual que las E14 y E27 pero creada para soportar potencias más elevadas. B22d Usado comúnmente en bombillas incandescentes GU10 Utilizado en las dicroicas led a 220v. Ejemplos: Dicroica led 6W GU10, Dicroica led 10W COB GU10 R7s Usada en bombillas halógenas rectas. Ejemplos: Bombillas led R7S Fa4 Usada en bombillas halógenas rectas ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 97 MR16 (o GU 5.3) Mayormente de uso en bombillas halógenas y halógenas dicroicas a 12 V Ejemplos: DICROICA LED 6W DICROICA LED 1W G53 Halógenas de parábola de reflexión ancha AR111 G9 Bombillas halógenas Ejemplos: BOMBILLA LED G9 5W SMD 36x5050 LEDS G4 Bombillas halógenas Ejemplos: BOMBILLAS LED G4 G13 Usada en tubos fluorescentes Ejemplos: TUBO LED 9W T8 60CM, TUBO LED 14W T8 90CM 2GX13 Usada en tubos fluorescentes circulares 2G13 Para tubos fluorescentes dobles ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 98 Fa6 Muy poco habitual, para lámparas de descarga de mercurio a baja presión G10q Usada en tubos fluorescentes circulares G23 Mayormente usada en bombillas de bajo consumo 2G11 Mayormente usada en bombillas de bajo consumo dobles 2G7 Usada en bombillas de bajo consumo G24q Usada en bombillas de bajo consumo G24d Usada en bombillas de bajo consumo ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 99 GX24d Usada en bombillas de bajo consumo GX24q Usada en bombillas de bajo consumo Formas de lámparas ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 100 BIBLIOGRAFÍA LIBROS Lenk, Ron y Lenk, Carol “Practical Lighting Design with LEDs” Wiley-IEEE Press (2011) Schubert, E. 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Lett. 1, 82 (1962) 9 Nathan, Marshall I. y Burns, Gerald “recombination radiation in GaAs by optical and electrical injection” Appl. Phys. Lett. 1, 89 (1962) 10 Rediker, Robert H., Quist, T. M, , Keyes, R. J. , Krag, W. E. , Lax, B. , McWhorter, A. L. y Zeigler, H. J. “Semiconductor maser of GaAs” Appl. Phys. Lett. 1, 91 (1962) 10 Haitz, Roland 1 and Tsao, Jeffrey Y. “Solid-state lighting: ‘The case‘ 10 years after and future prospects” Phys. Status Solidi A 208, No. 1, 17–29 (2011) / DOI 10.1002/pssa.201026349 12 Figuras del informe anual : “Solid-State Lighting Research and Development Multi-Year Program Plan April 2014” para el Departamento de Energía de los EEUU (oficina para la investigación y desarrollo de la iluminación de la oficina de eficiencia energética y energías renovables.) y de Craford, George “Current state of the art in high brightness leds” http://www.aps.org/meetings/multimedia/march2007/upload/craford.pdf 13 2000LM LED MODULE BENCH TEST Issue 64 Dec/Jan 2011/2 http://www.mondoarc.com/technology/LED/1166783/2000lm_led_module_bench_test.html 14 Texto y figuras tomadas de http://www.iuteb.edu.ve/carreras/electri/electri1.html 15 La electronegatividad es la tendencia o capacidad de un átomo, en una molécula, para atraer hacia sí los electrones. También se define como la fuerza de atracción entre un núcleo y un electrón de un átomo enlazado. Elementos con valores de electronegatividad distantes forman enlaces iónicos, y los enlaces covalentes se dan entre elementos con electronegatividad cercana. Esto se da en elementos próximos en el sistema periódico. 16 Texto y figuras tomadas de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ 17 La banda prohibida del InN se consideraba anteriormente más alta, en torno a 1,8-2,1 eV. Fue establecida en torno a 0,7 eV por Davydov, V. y otros en Phys. Stat. Solidi (b) 230 (2002 b), R4. 18 Figura del libro “Light Emitting Diodes and Solid-State Lighting” autor Schubert, E. Fred 19 Texto y figura extraídos del texto de la asignatura electrónica física (LECCIÓN 5 PORTADORES FUERA DE EQUILIBRIO: DIFUSIÓN Y RECOMBINACIÓN). Universidad de Valencia Disponible en: www.uv.es/elecfis/ef/ ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 104 20 Patel, Prachi “Una nueva forma de producir LEDs baratos” MIT technology review LUNES, 21 DE MARZO, 2011 http://www.technologyreview.es 21 Widney, Doug “The Battle of the LED Substrates Heats Up” February 23, 2012 http://www.greentechmedia.com/articles/read/the-battle-of-the-led-substrates-heats-up 22 “Beyond sapphire: LED substrates from GaN to ZnO, SiC, and Si”. Solid State Technology Mayo 2012 http://electroiq.com/blog/2012/05/beyond-sapphire-led-substrates-gan-zno-sic-si/ 23 Extractos del texto y figuras de OMS LED Academy (capítulo 3 LED Thermal) disponible en: http://www.omslighting.com/led-academy-en 24 http://www.rohm.com/image/image_gallery?uuid=2dcf9049-1b2d-4333-97b9abae70b4b357&groupId=11303&t=1394500917641 25 Cuadros y datos de Cooper, Julian 2007 http://ledsmagazine.com/features/4/8/1 26 Keeping, Steven, “Thermal Effects on White LED Chromaticity” 2013 27 Meneghesso, G., Meneghini, M. y Zanoni, E. “Recent results on the degradation of white LEDs for lighting” 2010 Journal of Physics D: Applied Physics Volume 43 Number 35 Disponible en: http://cms.iopscience.iop.org/alfresco/d/d/workspace/SpacesStore/6a0c2cbc-a7a1-11df-add283f7d1cdae0b/Spectra_Meneghesso_small.jpg?guest=true 28 Wikimedia commons LED package.jpg 29 http://www.ledinside.com/interview/2013/9/replacing_aluminum_with_thermoplastic_in_heat_s inks_cuts_cost_by_20_30 en el artículo la empresa de Taiwán Nytex Composite Products Co presenta sus disipadores de calor a base de termoplásticos combinados con aluminio. El material usado tiene menor coeficiente de conductividad que el aluminio pero presenta mejor índice de radiación y puede reducir los costes hasta un 30% respecto a los disipadores convencionales de aluminio. http://www.coolpolymers.com/heatsinkstms.asp. En este artículo, la empresa californiana Cool Polymers presenta disipadores construidos con un polímero de elevada conductividad térmica. 30 Datos basados en un prospecto del Oak Ridge National Laboratory del departamento de energía de los Estados Unidos publicado en http://www.led-na.com/wp-content/uploads/2013/08/Graphite-Foam-Information.pdf 31 http://www.ledsmagazine.com/content/dam/leds/migrated/objects/news/10/1/13/SoraaFigTwo 01212013.jpg 32 Extractos del texto y figuras de OMS LED Academy (capítulo 4 LED controls) disponible en http://www.omslighting.com/led-academy-en OMS es un fabricante de aparatos de iluminación LED con sede en Eslovaquia 33 Extractos del texto y figuras tomadas de Lenk, Ron “An overview of LED drivers” 34 Green, Peter “Buck LED driver with active PFC” en la revista Power Electronics (enero 2012) disponible en http://powerelectronics.com/lighting/buck-led-driver-active-pfc 35 http://eneri-source.wikispaces.com/dimming 36 Extractos del texto y figuras tomados de : • OMS LED Academy (capítulo 4 LED controls) disponible en: http://www.omslighting.com/led-academy-en • “Thermal Management of Cree® XLamp® LEDs” disponible en: www.cree.com/Xlamp ILUMINACION CON LEDS José Luis Grande 105 37 Extractos del texto y figuras tomados del artículo “LED Color Mixing: Basics and Background” disponible en www.cree.com/xlamp 38 Cuerpo negro o radiador ideal es un cuerpo ideal que absorbe totalmente la radiación que incide sobre él, sin reflejar ni transmitir nada. La radiación emitida por un cuerpo negro es no polarizada, isotrópica y continua y depende de la temperatura. La energía emitida para cada longitud de onda se calcula mediante la función o Ley de Planck: 39 “Talking Photometry: LED Colour Difference Metrics: SDCM & MacAdam Ellipses” http://www.photometrictesting.co.uk/File/blog_LED_colour_difference.php 40 http://www.havells-sylvania.com/es_ES/lighting-help-centre/technical-information 41 MacAdam, David L. “Visual Sensitivities to Colour Differences in Daylight”, J.Opt.Soc.Am. 32, 247 (1942) 42 ANSI C78.377-2008 "Especificación para la cromaticidad en la iluminación con productos de Estado Sólido ", ENERGY STAR® Program Requirements for Solid State Lighting Luminaires 43 Especificación voluntaria de calidad de las lámparas LED de la Comisión de Energía de California 44 http://www.lrc.rpi.edu/education/learning/terminology/cri.asp 45 Extractos del texto y figuras tomados de los capítulos 16-19 del libro “Light Emitting Diodes and Solid-State Lighting” autor Schubert, E. Fred 46 CIE son las siglas de la Commission internationale de l'éclairage, con sede en Viena, que es la autoridad internacional en luz, iluminación, color y espacios de color. 47 Ashdown, Ian. “Thoughts on Color Rendering” (enero de 2014) disponible en http://agi32.com/blog/category/color-rendering-index-cri/ Ashdown, Ian. "Color Rendering Index and LEDs” LED Measurement Series: Building Technologies Program. Disponible en: http://cool.conservation-us.org/byorg/us-doe/color_rendering_index.pdf 48 CIE Technical Report 177:2007 49 La Comisión de Energía de California ha adoptado una especificación voluntaria de calidad de las lámparas LED que usen casquillos de rosca Edison E26 y otras bases estandarizadas por la ANSI. Esta especificación se ha desarrollado en vista a las conclusiones de una evaluación de los programas de incentivo de las lámparas fluorescentes compactas (CFL), según las que el bajo rendimiento de las lámparas CFL era un gran obstáculo para una mayor penetración en el mercado de esos productos. 1) Temperatura de color y consistencia del color. La temperatura de color debe estar dentro de una elipse de Macadam de 4 pasos de los puntos de 2700K o 3000K. (Menos pasos crean una menor variación de color y un color más uniforme para cada temperatura de color). La especificación ENERGY STAR exige una tolerancia de la elipse de MacAdam de 7 pasos. 2) Rendimiento cromático. IRC ≥ 90 con un R9> 50 para garantizar una mejor representación de los colores. ENERGY STAR sólo requiere CRI ≥ 80 con un R9> 0 3) atenuación luminosano debe producir parpadeo ni ruido desde 10-100%. Los procedimientos de prueba serán los mismos que los del nuevo estándar ENERGY STAR 4) Vida útil / garantía. Deben cumplir con requisitos mínimos ENERGY STAR sobre vida útil de la lámpara. Las lámparas deben tener una garantía de sustitución gratuita de como mínimo