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Diodo LED

Como funciona un diodo LED
 

¿Que es un LED?

Light Emitting Diode (LED), El diodo emisor de luz es un semiconductor que transforma directamente la energía eléctrica en luz visible mediante electroluminiscencia.

 

La electroluminiscencia se produce cuando el LED es polarizado mediante un diferencial de voltage, las cargas negativas (electrones) y las cargas positivas (huecos) son atraidos hacia la zona de unión, algunos electrones pueden pasar de la banda de conducción a la capa de valencia, bajando de un nivel energético superior a un nivel energético inferior más estable, esta perdida de energía puede generar una emisión espontanea de fotones. Para que esta emisión espontanea sea aprovechable los ledes se diseñan con el proposito que estos fotones no sean reabsorbidos.

 

El uso de distintos tipos en distintas capas de material semiconductor, determinará el espectro de color emitido: Ultravioleta, luz visible o infrarrojo. Los ledes utilizados para iluminar han de evitar emitir radiación UV o infrarroja durante su vida, para ser un led seguro y eficiente. Esto no solo depende de la calidad del led, tambien depende de la técnica con la que este led ha sido implementado en la lampara o luminaria, debido principalmente a que temperatura de unión del semiconductor acortará su vida, pudiendo deformar sustancialmente a la estructura del encapsulado. Una mal uso, adaptación o diseño térmico podría ocasionar que la capa de fósforos no absorban homogeneamente la luz UV o azul, y esta incida directamente sobre las superficies o seres vivos.

 

Por lo general un LED que emite luz blanca, convierte la luz azul o ultravioleta que genera el diodo  a un espectro de color blanco mediante fotoluminiscencia. Esta conversión de espectro se consigue añadiendo una serie de fósforos en el encapsulado. Estos fósforos absorben la radiación ultravioleta y emiten luz blanca en frecuencias visibles, al igual que la iluminación por inducción magnética o los tubos fluorescentes. En el método más utilizado el LED está compuesto de Indio-Galio-Nitride (InGaN) y una capa de fósforo.

 

En resumen el LED es considerado un emisor de luz en estado solido (SSL), que produce luz visible con una menor generación de calor y enérgia parasitaria, debido a los choques de electrones, se libera tambien energía en forma de calor, mayor cuando mayor sea la corriente. Este calor deberá ser disipado, siendo este el principal enemigo de su correcto funcionamiento, provocando la depreciación permanente de flujo luminoso máximo y emitido. A partir de ciertos valores de temperatura el led se degrada rapidamente, produciendose su colapso y destrucción. Para evitar esto las luminarias deben ser testeadas en una esfera integradora con temperatura controlada (Ver test de temperatura campana industrial Venalsol) , en nuestro laboratorio podemos realizar ensallos espectrales sometiendo a la luminaria hasta 80ºC de temperatura ambiente.

Características de los ledes
  • Un LED es uno o varios diodos formados por varias capas de semiconductor y su circuito eléctrico encapsulado en una carcasa de resina o cerámica según su tecnología.
  • Un LED solo permite el paso de corriente en una sola dirección.
  • Un LED según su encapsulado, y/o circuito eléctrico puede clasificarse en diferentes tecnologías: DIP, SMD, COB, MCOB.
  • Un LED blanco más frio tiene mayor eficiencia pero menor indice de reproducción cromática (CRI), ya que precisa de menos fósforos en su encapsulado.
  • Un LED blanco mas cálido tiene menor eficiencia pero mayor indice de reproducción cromática (CRI), ya que precisa de mas cantidad de fósforos en su encapsulado.
  • Un LED se caracteriza por una duración de vida muy larga que puede ser definido mediante la norma LM80-08 de la IESNA.
  • Un LED varia su vida en función de la temperatura de unión alcanzada y su corriente en circulación.
  • Un LED InGaP (fosfuro de indio y galio y aluminio) emite una luz roja y ambar.
  • Un LED InGaN (nitruro de indio y galio) emite una luz proxima a la UV, luz verde y azul.
  • Un LED al ser regulado, el color de la luz emitida se mantiene constante.
  • Un LED necesita de fuente de alimentación auxiliar (DRIVER) para obtener la corriente de servicio adecuada.
  • Un LED permite dirigir la luz con gran exactitud.
  • Un LED debe contar con una buena disipación, su potencia de radiación, vida utíl disminuye al aumentar su temperatura.
 
Confort Lumínico y Reproducción del Color

La temperatura de color se mide en grados Kelvin (K), por lo tanto cuando decimos que un LED emite una temperatura de color de 5000K, nos referimos al color que produciría un trozo de metal "cuerpo negro" si fuera calentado a 5000 grados Kelvin ( 4726 ºC ). La luz solar pura tiene una temperatura de color de 5300K.

 

 

La reproducción cromática del LED (CRI) es un valor importante en la calidad de la luz. Una fuente de luz ideal como el sol, contiene toda la gama de colores y tiene un indice de reproducción cromática de 100 (Ra=100). Esto hace que las superficies iluminadas sean bien definidas y parezcan naturales. Cuando menor sea el valor del Ra, menor definición y menos natural será la percepción visual de esas superficies iluminadas.

Por lo tanto para alcanzar valores óptimos de confort lumínico hemos de tener en cuenta:

1) Una temperarura de color adecuada dependiendo del uso y necesidad.

2) Un rendimiento cromático (CRI - Ra) que nos permita definir visualmente y de forma correcta y segura las tareas a desempeñar.

Tipos de led, vida util y fiabilidad

 

Tipos de ledes:

Podemos clasificar a los ledes en dos grandes tipos:

1) Ledes de baja potencia (Low Power LED)

Producen una pequeña cantidad de luz, entre 5 y 7 lúmenes, son del tipo DIP o SMD,  son usados generalmente en pantallas de televisión, tiras LED, sistemas de orientación y señalización. Requieren una corriente baja, aproximadamente de 20mA.

2) Ledes de alta potencia (High Power LED)

Producen gran cantidad de luz, hasta 160 lúmenes por watio, son del tipo SMD, COB, MCOB, usados en iluminación vial, sector terciario e industrial. Requieren una corriente de funcionamiento mucha más alta, entre 350 y 1000mA, es muy importante implementar correctamente este LED en el diseño térmico de las luminarias, la disipación de calor será un factor decisivo.

Vida útil y fiabilidad:

Para poder evaluar la vida útil y fiabilidad del LED los fabricantes del diodo led nos aportan los ensayos, certificados  y tablas en las que queda reflejado el factor de mantenimiento del lumen por watio aportado por el LED diferentes horas de funcionamiento (5000h., ... , 50000h., 60000h., ect.), dependiendo de las temperaturas de unión a la que esté expuesto (Ver certificado y ensayo LM-80 led Nichia implementado en liminarias Venalsol).

Del diseñador de la luminaria depende que un buen led este correctamente implementado, aporte la vida útil y eficiencia que de el se espera. De nada sirve un gran led, en una luminaria mal diseñada o en una deficiente adaptación en luminarias diseñadas para otras tecnologías.

Considerando que:

- El driver implementado sea de calidad en sus componentes electrónicos, no genere interferencias electromagnéticas (EMI), soporte y no genere transitorios.

- Se ha implementado un diodo LED de un fabricante reconocido, con garantías de calidad en los procesos de fabricación, ensayos y certificados.

- El diseño de la luminaria se ha realizado correctamente, propiciando una baja resistencia termica entre el disipador de la luminaria y el diodo led.

- La temperatura de unión del diodo led se mantiene dentro del rango de temperaturas requerido por el fabricante para su correcto funcionamiento.

- El ensayo se ha realizado mínimo a la temperatura ambiente máxima para la cual se oferta la luminaria.

Obtendremos en base a la norma LM80-08 de las IESNA, la clasificación de mantenimiento de lumen a las 50000h. de uso de la luminaria.

Por lo que una luminaria que es ofertada con una L70 mantendrá el 70% del flujo lumínico a las 50000h. de uso siempre y cuando la temperatura ambiente de funcionamiento en la instalación no supere la especificada por el fabricante de la luminaria.