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lámpara LED

Lámpara LED de filamento de 230 voltios con base E27 . Los filamentos son visibles como las ocho líneas verticales amarillas. Una selección de lámparas LED disponibles comercial...

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Lámpara LED de filamento de 230 voltios con base E27 . Los filamentos son visibles como las ocho líneas verticales amarillas.
Una selección de lámparas LED disponibles comercialmente en 2010: proyectores (izquierda), lámparas de lectura (centro), lámparas domésticas (centro derecha e inferior) y luces de acento de baja potencia (derecha).
Módulo LED COB ( Chips on board ) de 80 W procedente de una luminaria industrial, unido térmicamente al disipador de calor.
Una lámpara LED de 18 W con una apariencia similar a la de una antigua lámpara fluorescente compacta . Los diodos son visibles dentro de los tubos.

Una lámpara LED o luz LED [ 1 ] es una luz eléctrica que produce luz mediante diodos emisores de luz (LED). Las lámparas LED son significativamente más eficientes energéticamente que las lámparas incandescentes y fluorescentes equivalentes . [ 2 ] [ 3 ] Las lámparas LED más eficientes disponibles comercialmente tienen eficiencias superiores a 200 lúmenes por vatio (lm/W) y convierten más de la mitad de la potencia de entrada en luz. [ 4 ] [ 5 ] Las lámparas LED comerciales tienen una vida útil varias veces mayor que las lámparas incandescentes y fluorescentes.

Las lámparas LED requieren un circuito electrónico para funcionar con la red eléctrica, y las pérdidas de este circuito implican que la eficiencia de la lámpara es menor que la de los chips LED que utiliza. El circuito controlador puede requerir características especiales para ser compatible con los reguladores de intensidad diseñados para lámparas incandescentes. Generalmente, la forma de onda de la corriente presenta cierta distorsión, dependiendo de la tecnología de la luminaria. [ 6 ]

Se prevé que el mercado de lámparas LED crezca de 75.800 millones de dólares  en 2020 a 160.000 millones de dólares  en 2026. [ 7 ] Los LED alcanzan su brillo máximo inmediatamente, sin tiempo de calentamiento. El encendido y apagado frecuente no reduce su vida útil, a diferencia de la iluminación fluorescente. [ 8 ] La emisión de luz disminuye gradualmente a lo largo de la vida útil del LED.

Algunas lámparas LED son reemplazos directos para lámparas incandescentes o fluorescentes. Las lámparas LED pueden usar varios paquetes de LED para mejorar la dispersión de la luz, la disipación del calor y el costo total. El texto en el empaque de las lámparas LED para venta al por menor puede mostrar la salida de luz en lúmenes; el consumo de energía en vatios; la temperatura de color en kelvin o una descripción del color como "blanco cálido", "blanco frío" o "luz diurna"; el rango de temperatura de funcionamiento; si la lámpara es compatible con reguladores de intensidad; si la lámpara es adecuada para condiciones húmedas; y, a veces, la potencia equivalente de una lámpara incandescente que proporciona la misma salida en lúmenes.

Historia

Ilustración de la ley de Haitz , que muestra la mejora en la emisión de luz por LED a lo largo del tiempo, con una escala logarítmica en el eje vertical.

Antes de la introducción de las lámparas LED, se utilizaban tres tipos de lámparas para la mayor parte de la iluminación general (blanca):

  • Las bombillas incandescentes producen luz mediante un filamento brillante calentado por corriente eléctrica. [ 9 ] Son muy ineficientes, con una eficacia luminosa de 10 a 17 lm/W, y además tienen una vida útil corta, generalmente de 1000 horas. Se están eliminando gradualmente de las aplicaciones de iluminación general. Las bombillas incandescentes producen un espectro de luz de cuerpo negro continuo similar a la luz solar, y por lo tanto producen un alto índice de reproducción cromática (IRC).
  • Las lámparas fluorescentes producen luz ultravioleta mediante una descarga luminiscente entre dos electrodos en un tubo de vapor de mercurio a baja presión , que se convierte en luz visible gracias a un recubrimiento fluorescente ( fósforo ) en el interior del tubo. Son más eficientes que las bombillas incandescentes, con una eficacia luminosa de 50 a 100 lm/W (según la estructura, el tipo de fósforo y el tipo de balasto ), tienen una vida útil más larga de 6000 a 15 000 horas y se utilizan ampliamente en la iluminación residencial y de oficinas. Sin embargo, su contenido de mercurio las convierte en un peligro para el medio ambiente y deben desecharse como residuos peligrosos .
  • Las lámparas de halogenuros metálicos , que producen luz mediante un arco eléctrico entre dos electrodos en una atmósfera de argón, mercurio y otros metales, yodo o bromo, se encontraban entre las luces eléctricas blancas más eficientes antes de la llegada de los LED, con una eficacia luminosa de 75 a 100 lm/W y una vida útil relativamente larga de entre 6000 y 15 000 horas. Debido a que requieren un período de calentamiento de 5 a 7 minutos antes de alcanzar su máxima potencia, las lámparas de halogenuros metálicos no se utilizan para iluminación residencial, sino para iluminación comercial e industrial de grandes áreas y, en exteriores, para luces de seguridad y alumbrado público. Al igual que las fluorescentes, también contienen mercurio, un metal peligroso.

Consideradas como convertidores de energía, todas estas lámparas actuales son ineficientes, ya que emiten más energía en forma de calor residual que de luz visible. En 1997, la iluminación eléctrica mundial consumió 2016 teravatios-hora de energía. La iluminación consume aproximadamente el 12 % de la energía eléctrica producida por los países industrializados. Los nuevos avances tecnológicos en semiconductores emisores de luz, junto con los enormes mercados de pantallas e iluminación de áreas, impulsaron el desarrollo de luces eléctricas más eficientes energéticamente.

Los primeros LED de baja potencia se desarrollaron a principios de la década de 1960 y solo producían luz en las bajas frecuencias rojas del espectro. En 1968, se introdujeron las primeras lámparas LED comerciales: la pantalla LED de Hewlett-Packard , [ 10 ] desarrollada bajo la dirección de Howard C. Borden y Gerald P. Pighini, y la lámpara indicadora LED de Monsanto Company . [ 10 ] Sin embargo, las primeras lámparas LED eran ineficientes y solo podían mostrar colores rojos intensos, lo que las hacía inadecuadas para la iluminación general y restringía su uso a pantallas numéricas y luces indicadoras. [ 10 ]

El primer LED azul de alto brillo fue demostrado por Shuji Nakamura de Nichia Corporation en 1994. [ 11 ] Isamu Akasaki , Hiroshi Amano y Nakamura fueron galardonados posteriormente con el Premio Nobel de Física de 2014 por la invención del LED azul. [ 12 ] La existencia de LED azules y LED de alta eficiencia condujo al desarrollo del primer "LED blanco", que empleaba un recubrimiento de fósforo para convertir parcialmente la luz azul emitida a frecuencias más bajas, creando luz blanca. [ 13 ] Las nuevas luces LED entraron al mercado cerca del comienzo del siglo XXI en EE. UU. (Cree) y Japón ( Nichia , Panasonic y Toshiba ), y luego a partir de 2004 en Corea y China ( Samsung , Kingsun , Solstice , Hoyol y otros). [ 14 ] En EE. UU., la Ley de Independencia y Seguridad Energética (EISA) de 2007 autorizó al Departamento de Energía (DOE) a establecer el concurso Bright Tomorrow Lighting Prize , conocido como el "Premio L", [ 15 ] desafiando a la industria a desarrollar reemplazos para lámparas incandescentes de 60 W y otras lámparas. [ 16 ] Los productos que cumplieran con los requisitos del concurso usarían solo el 17 % de la energía utilizada por la mayoría de las lámparas incandescentes de ese momento.

Philips Lighting dejó de investigar las bombillas fluorescentes compactas en 2008 y comenzó a dedicar la mayor parte de su presupuesto de investigación y desarrollo a la iluminación de estado sólido. [ 17 ] El 24 de septiembre de 2009, Philips Lighting North America se convirtió en la primera en presentar lámparas en la categoría para reemplazar la bombilla estándar A-19 de 60 W con casquillo Edison , [ 18 ] con un diseño basado en su anterior producto de consumo "AmbientLED". El Departamento de Energía de EE. UU. otorgó a Philips el premio después de 18 meses de extensas pruebas. Muchos otros productos igualmente eficientes siguieron su ejemplo. [ 19 ]

Las primeras lámparas LED presentaban una gran variación cromática con respecto a las lámparas incandescentes a las que reemplazaban. Se desarrolló una norma, ANSI C78.377-2008, que especificaba los rangos de color recomendados para productos de iluminación de estado sólido que utilizaban LED de luz blanca fría a cálida con diversas temperaturas de color correlacionadas. [ 20 ] En junio de 2008, el NIST anunció las dos primeras normas para iluminación de estado sólido en Estados Unidos. Estas normas detallan las especificaciones de rendimiento para las fuentes de luz LED y prescriben métodos de prueba para productos de iluminación de estado sólido.

También en 2008, en Estados Unidos y Canadá , el programa Energy Star comenzó a etiquetar lámparas que cumplen con una serie de estándares de tiempo de encendido, vida útil, color y rendimiento constante. El objetivo del programa es reducir las preocupaciones de los consumidores debido a la calidad variable de los productos, al brindar transparencia y estándares para el etiquetado y la usabilidad de los productos disponibles en el mercado. [ 21 ] Energy Star Certified Light Bulbs es un recurso para encontrar y comparar lámparas con certificación Energy Star.

Un programa similar en el Reino Unido (dirigido por Energy Saving Trust ) se lanzó para identificar productos de iluminación que cumplen con las directrices de ahorro de energía y rendimiento. [ 22 ] Ushio lanzó la primera lámpara de filamento LED en 2008. [ 23 ] Philips lanzó su primera lámpara LED en 2009, [ 24 ] seguida de la primera lámpara LED equivalente a 60 W del mundo en 2010, [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] y una versión equivalente a 75 vatios en 2011. [ 28 ] La Illuminating Engineering Society of North America (IESNA) publicó en 2008 una norma documental LM-79 , que describe los métodos para probar productos de iluminación de estado sólido para su salida de luz (lúmenes), eficacia (lúmenes por vatio) y cromaticidad.

A partir de 2016En opinión de Noah Horowitz del Consejo de Defensa de los Recursos Naturales , los nuevos estándares propuestos por el Departamento de Energía de los Estados Unidos probablemente significarían que la mayoría de las bombillas utilizadas en el futuro serían LED. [ 29 ] Para 2019, el consumo de electricidad en los Estados Unidos había disminuido durante al menos cinco años consecutivos, debido en parte a que los consumidores de electricidad estadounidenses reemplazaron las bombillas incandescentes por LED debido a su eficiencia energética y alto rendimiento. [ 30 ] En 2023, Signify NV presentó las lámparas LED de alta eficiencia con clase de eficiencia A de la UE, que requiere una eficiencia de al menos 210 lm/W. [ 31 ]

Ejemplos de adopción temprana

Luces LED como iluminación navideña en Viborg, Dinamarca.

En 2003, se presentaron las primeras gafas quirúrgicas con LED. [ 32 ] Audi mostró el prototipo Audi Nuvolari con faros LED. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] En 2004, Audi lanzó el primer automóvil con luces diurnas y direccionales LED, el Audi A8 W12 de 2004. [ 32 ] [ 36 ] [ 37 ]

En 2005, se instaló una lámpara LED para iluminar la Mona Lisa . [ 38 ] Los LED se utilizaban en el Casino Breda en los Países Bajos, la Ópera Estatal de Viena y la sede del Gran Premio de Shanghái, por ejemplo. Había linternas y faros LED disponibles para personas. [ 33 ] En 2006, se lanzaron algunos de los primeros focos LED para uso en tiendas. [ 39 ] El Lexus LS 600h L de Toyota (2006) fue el primer automóvil de producción con faros LED . [ 40 ] En 2007, Audi fue el primer fabricante de automóviles en ofrecer faros que utilizaban exclusivamente LED, utilizados en el Audi R8 . [ 41 ] En el mismo año, Toshiba lanzó la primera lámpara LED blanca comercial para hogares. [ 42 ]

En 2008, Sentry Equipment Corporation en Oconomowoc , Wisconsin, EE. UU., logró iluminar el interior y el exterior de su nueva fábrica casi exclusivamente con LED. El costo inicial fue tres veces mayor que el de una combinación tradicional de lámparas incandescentes y fluorescentes, pero el costo adicional se recuperó en dos años gracias al ahorro de electricidad, y las lámparas no deberían necesitar ser reemplazadas durante 20 años. [ 17 ] En 2009 , la oficina de Manapakkam, Chennai , de la empresa india de TI, iGate, gastó ₹ 3.700.000 ( US$ 80.000 ) para iluminar 57.000 pies cuadrados (5.300 m² ) de espacio de oficina con LED. La empresa esperaba que la nueva iluminación se amortizara en 5 años. [ 43 ]   

En 2009, Audi fue el primer fabricante en ofrecer un automóvil que utilizaba exclusivamente iluminación LED, el Audi R8 de 2009. [ 44 ] En 2009, el árbol de Navidad excepcionalmente grande que se encuentra frente a la Catedral de Turku en Finlandia fue adornado con 710 lámparas LED, cada una de 2 vatios. Se ha calculado que estas lámparas LED se amortizaron en tres años y medio, a pesar de que las luces solo funcionan durante 48 días al año. [ 45 ] En 2009 se inauguró una nueva autopista (A29) en Aveiro , Portugal; incluía la primera autopista pública europea con iluminación LED. [ 46 ]

Para 2010, las instalaciones masivas de iluminación LED para usos comerciales y públicos se estaban volviendo comunes. Las lámparas LED se utilizaron en varios proyectos de demostración para iluminación exterior y alumbrado público LED . El Departamento de Energía de los Estados Unidos publicó varios informes sobre los resultados de muchos proyectos piloto para iluminación exterior municipal, [ 47 ] y pronto le siguieron muchos proyectos adicionales de alumbrado público e iluminación exterior municipal. [ 48 ] [ 49 ]

En 2016, el gobierno indio lanzó el programa Ujala de bombillas LED, con el objetivo de reemplazar todas las bombillas incandescentes y fluorescentes compactas del país por bombillas LED. Según Narendra Modi , en marzo de 2022, el programa había distribuido 370 millones de bombillas LED gratuitas a los hogares y había reducido las facturas de electricidad de los hogares de clase media y baja en 200 mil millones de rupias (2100 millones de dólares estadounidenses ) . El programa Ujala también impulsó la expansión de la producción nacional de LED en la India. [ 50 ] 

Tecnología

Las lámparas LED suelen estar fabricadas con conjuntos de módulos LED de montaje en superficie .

Una diferencia significativa con respecto a otras fuentes de luz es que la luz es más direccional. Un LED es un emisor lambertiano , que produce un cono de luz con puntos de media potencia a unos 60° del eje. Tanto un diodo láser como un LED son fuentes de luz semiconductoras, pero los diodos láser se basan en la emisión estimulada , mientras que los LED utilizan la emisión espontánea.

LEDs de luz blanca

Lámpara LED utilizada en fotografía

La iluminación de uso general requiere una luz blanca que emule un cuerpo negro a una temperatura específica, desde "blanco cálido" (como una bombilla incandescente) a 2700 K, hasta "luz diurna" a unos 6500 K. Los primeros LED emitían luz en una banda muy estrecha de longitudes de onda, de un color característico de la banda prohibida de energía del material semiconductor utilizado para fabricar el LED. Los LED que emiten luz blanca se fabrican mediante dos métodos principales: mezclando la luz de varios LED de diferentes colores o utilizando un fósforo para convertir parte de la luz a otros colores. La luz no es la misma que la de un cuerpo negro verdadero, lo que da una apariencia diferente a los colores que una bombilla incandescente. La calidad de reproducción cromática se especifica mediante el índice de reproducción cromática (IRC), y a partir de 2019El valor ronda los 80 para muchas bombillas LED y supera los 95 para las luces LED de alto índice de reproducción cromática (CRI) más caras (100 es el valor ideal).

Los LED blancos RGB o tricromáticos utilizan múltiples chips LED que emiten longitudes de onda rojas, verdes y azules. Estos tres colores se combinan para producir luz blanca. El índice de reproducción cromática (CRI) es bajo, generalmente entre 25 y 65, debido al estrecho rango de longitudes de onda emitidas. [ 51 ] Se pueden obtener valores de CRI más altos utilizando más de tres colores de LED para cubrir un rango de longitudes de onda mayor.

El segundo método, base de la mayoría de las lámparas LED disponibles comercialmente, utiliza LED junto con un fósforo para producir colores complementarios a partir de un solo LED. Parte de la luz del LED es absorbida por las moléculas del fósforo, lo que provoca su fluorescencia , emitiendo luz de otro color a través del desplazamiento de Stokes . El método más común es combinar un emisor LED azul con un fósforo amarillo, produciendo un rango estrecho de longitudes de onda azules y una banda ancha de longitudes de onda "amarillas" que en realidad cubren el espectro desde el verde hasta el rojo. El valor CRI puede variar de menos de 70 a más de 90, aunque una amplia gama de LED comerciales de este tipo tienen un índice de reproducción cromática alrededor de 82. [ 51 ] Tras sucesivos aumentos en la eficacia, que había alcanzado los 210  lm/W en base a la producción en 2021, este tipo ha superado el rendimiento de los LED tricromáticos. Los fósforos utilizados en los LED de luz blanca pueden proporcionar temperaturas de color correlacionadas en el rango de 2200 K (incandescente atenuada) hasta 7000 K o más. [ 52 ]

Iluminación LED que cambia de color

Los sistemas de iluminación sintonizables emplean bancos de LED de colores que se pueden controlar individualmente, ya sea utilizando bancos separados de cada color o LED multichip con los colores combinados y controlados a nivel de chip. [ 53 ]

controladores LED

Lámpara LED doméstica con sus elementos LED internos y circuito controlador LED expuestos.

Los chips LED requieren alimentación eléctrica de corriente continua (CC) controlada, y se necesita un circuito adecuado, como un controlador de LED, para convertir la corriente alterna de la fuente de alimentación en la corriente continua de voltaje regulado que utilizan los LED.

Los controladores LED son componentes esenciales de las lámparas LED para garantizar una vida útil y un rendimiento óptimos. Un controlador puede ofrecer funciones como atenuación y control remoto. Los controladores LED pueden estar integrados en la misma carcasa que el conjunto de diodos o montados de forma independiente a los diodos emisores de luz. Es posible que los controladores LED requieran componentes adicionales para cumplir con las normativas sobre corrientes armónicas de línea de CA aceptables.

Gestión térmica

Las lámparas LED funcionan más frías que sus predecesoras ya que no hay arco eléctrico ni filamento de tungsteno, pero aún pueden causar quemaduras. Se requiere gestión térmica de los LED de alta potencia para mantener la temperatura de la unión del dispositivo LED cerca de la temperatura ambiente, ya que el aumento de la temperatura reduce la salida de luz y puede causar fallas catastróficas . Los LED usan mucha menos energía para una salida de luz dada, pero producen algo de calor, y este se concentra en un chip semiconductor muy pequeño. Debido a su baja temperatura de funcionamiento, las lámparas LED no pueden perder mucho calor por radiación; en cambio, el calor se conduce a través de la parte posterior del chip a un disipador de calor o aleta de enfriamiento adecuadamente diseñado , desde donde se disipa por convección. [ 24 ] Las lámparas de muy alta potencia para usos industriales frecuentemente están equipadas con ventiladores de enfriamiento . [ 54 ] Algunos fabricantes colocan los LED y todos los circuitos en una bombilla de vidrio como las bombillas incandescentes convencionales, pero con un relleno de gas helio para conducir el calor y así enfriar los LED. [ 55 ] Otros colocan los LED en una placa de circuito con un respaldo de aluminio; La parte posterior de aluminio está conectada térmicamente a la base de aluminio de la lámpara mediante pasta térmica, y la base está integrada en una carcasa de plástico melamina. Debido a la necesidad de refrigeración por convección alrededor de una lámpara LED, es necesario tener especial cuidado al colocarla en una luminaria cerrada o con poca ventilación, o cerca de un material aislante térmico .

Caída de eficiencia

Lámpara LED desmontada con placa de circuito de fuente de alimentación conmutada y tornillo Edison.
Disminución de la eficiencia en un LED InGaN en función de su corriente de entrada [ 56 ]

El término «caída de eficiencia» se refiere a la disminución de la eficacia luminosa de los LED a medida que aumenta la corriente eléctrica . En lugar de aumentar los niveles de corriente, la salida de luz se suele incrementar conectando varios emisores LED en paralelo o en serie en una misma lámpara. Resolver el problema de la caída de eficiencia implicaría que las lámparas LED domésticas requerirían menos LED, lo que reduciría significativamente los costes. [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]

Las primeras sospechas apuntaban a que la caída de rendimiento de los LED se debía a las altas temperaturas. Los científicos demostraron que la temperatura no era la causa principal de la caída de eficiencia. [ 60 ] En 2007, se identificó el mecanismo que causaba la caída de eficiencia como la recombinación Auger , que se interpretó como una reacción mixta. [ 59 ] Un estudio de 2013 identificó de forma concluyente la recombinación Auger como la causa. [ 61 ]

Algunos láseres se han adaptado como alternativa a los LED para proporcionar iluminación altamente focalizada. [ 62 ] [ 63 ]

Aplicaciones

Las lámparas LED se utilizan tanto para iluminación general como para fines especiales. Cuando se necesita luz de color, los LED que inherentemente emiten luz de un solo color no requieren filtros que absorban energía. Las lámparas LED están comúnmente disponibles como reemplazos directos para bombillas o luminarias, reemplazando una luminaria completa (como paneles de luz LED que reemplazan luminarias fluorescentes o focos LED que reemplazan luminarias halógenas similares) o bombillas (como tubos LED que reemplazan tubos fluorescentes dentro de luminarias o lámparas LED de reemplazo HID que reemplazan bombillas HID dentro de luminarias HID). Las diferencias entre reemplazar una luminaria y reemplazar una bombilla son que, cuando una luminaria (como una luminaria) se reemplaza con algo como un panel LED, el panel debe reemplazarse en su totalidad si fallan los LED o el controlador que contiene, ya que es imposible reemplazarlos individualmente de manera práctica [ 64 ] (aunque el controlador a menudo es separado y por lo tanto puede reemplazarse), mientras que, si solo se reemplaza la bombilla con una lámpara de reemplazo LED, la lámpara puede reemplazarse independientemente de la luminaria si la lámpara falla. Algunas lámparas LED de repuesto requieren que se modifique la luminaria, por ejemplo, retirando eléctricamente el balasto, para conectar la lámpara LED directamente a la red eléctrica; otras pueden funcionar sin ninguna modificación en la luminaria. [ 65 ]

Iluminación del templo BAPS Shri Swaminarayan Mandir de Atlanta con luminarias LED de mezcla de colores.
La iluminación LED controlada por ordenador permite realzar las cualidades únicas de las pinturas en el Museo Nacional de Varsovia . [ 66 ]

Las lámparas LED de luz blanca tienen una vida útil más larga y una mayor eficiencia (más luz con la misma cantidad de electricidad) que la mayoría de las demás luminarias cuando se utilizan a la temperatura adecuada. Las fuentes LED son compactas, lo que proporciona flexibilidad en el diseño de luminarias y un buen control sobre la distribución de la luz con pequeños reflectores o lentes. Debido al pequeño tamaño de los LED, el control de la distribución espacial de la iluminación es extremadamente flexible [ 67 ] , y la salida de luz y la distribución espacial de una matriz de LED se pueden controlar sin pérdida de eficiencia.

Los LED que utilizan el principio de mezcla de colores pueden emitir una amplia gama de colores al cambiar las proporciones de luz generada en cada color primario. Esto permite una mezcla de colores completa en lámparas con LED de diferentes colores. [ 68 ] A diferencia de otras tecnologías de iluminación, la emisión de los LED tiende a ser direccional (o al menos lambertiana ), lo que puede ser ventajoso o desventajoso, según los requisitos. Para aplicaciones donde se requiere luz no direccional, se utiliza un difusor o varios emisores LED individuales para emitir en diferentes direcciones.

Lámparas LED para el hogar

Tamaños y bases

Una selección de lámparas LED para el consumidor disponibles en 2012 como reemplazo directo de bombillas incandescentes en casquillos de rosca.

Las lámparas LED se fabrican con conexiones y formas estándar, como una base de rosca Edison , una forma MR16 con base de dos pines, o una GU5.3 (casquillo de dos pines) o GU10 (casquillo de bayoneta), y son compatibles con el voltaje suministrado a los portalámparas. Incluyen un circuito controlador para rectificar la corriente alterna y convertir el voltaje a un valor adecuado, generalmente una fuente de alimentación conmutada .

A partir de 2010Algunas lámparas LED reemplazaron bombillas de mayor potencia; por ejemplo, un fabricante afirmó que una lámpara LED de 16 vatios era tan brillante como una  lámpara halógena de 150 W. Una bombilla incandescente estándar de uso general emite luz con una eficacia de aproximadamente 14 a 17 lm/W, dependiendo de su tamaño y voltaje. (La eficacia de las lámparas incandescentes diseñadas para  fuentes de alimentación de 230 V es menor, ya que el voltaje de alimentación más bajo en Norteamérica es más favorable para la eficacia). Según la norma de la Unión Europea, una lámpara de bajo consumo que afirma ser equivalente a una  lámpara de tungsteno de 60 W debe tener una salida de luz mínima de 806 lúmenes. [ 69 ]

Lámpara LED de alta potencia con forma de mazorca de maíz.

Algunos modelos de lámparas LED son compatibles con atenuadores . Las lámparas LED suelen tener características de luz direccional. Las mejores de estas lámparas, a partir de 2022, son más eficientes energéticamente que las lámparas fluorescentes compactas [ 70 ] y ofrecen una vida útil de 30 000 horas o más, reducida si se utilizan a una temperatura superior a la especificada. Las lámparas incandescentes tienen una vida útil típica de 1000 horas [ 71 ] , y las fluorescentes compactas de unas 8000 horas [ 72 ] . Tanto las lámparas LED como las fluorescentes utilizan fósforos, cuya emisión de luz disminuye con el tiempo. Las especificaciones de Energy Star exigen que las lámparas LED disminuyan normalmente menos del 10 % después de 6000 horas o más de funcionamiento, y en el peor de los casos no más del 15 % [ 73 ] . Las lámparas LED están disponibles con una variedad de propiedades de color. El precio de compra es más alto que el de la mayoría de las otras lámparas —aunque está bajando— , pero la mayor eficiencia suele hacer que el coste total de propiedad (precio de compra más coste de electricidad y cambio de bombillas) sea menor. [ 18 ]  

Varias empresas ofrecen lámparas LED para iluminación general. La tecnología está mejorando rápidamente y ya existen nuevas lámparas LED de consumo de bajo consumo. [ 74 ] [ 75 ]

A partir de 2016En Estados Unidos, las lámparas LED están cerca de ser adoptadas como la principal fuente de luz [ 76 ] debido a la caída de los precios y a la eliminación gradual de las lámparas incandescentes. [ 77 ] En EE. UU., la Ley de Independencia y Seguridad Energética de 2007 prohíbe efectivamente la fabricación e importación de la mayoría de las lámparas incandescentes actuales. El precio de las lámparas LED ha disminuido sustancialmente y muchas variedades se venden con precios subvencionados por las compañías eléctricas locales. Sin embargo, en septiembre de 2019, la administración Trump revocó los requisitos para las nuevas bombillas de bajo consumo. [ 78 ] La administración Biden finalizó en 2023 las regulaciones de eficiencia que exigen una iluminación de 45 lm/W y ahorrarán a los consumidores 3 mil millones de dólares al año en costos de electricidad. [ 79 ]

lámparas de tubo LED

Un  tubo LED de 17 W que tiene la misma intensidad que un  tubo fluorescente de 45 W.

Las luces tubulares LED están diseñadas para encajar físicamente en las luminarias destinadas a tubos fluorescentes . Algunas lámparas tubulares LED están diseñadas para reemplazar directamente las luminarias existentes si se utiliza el balasto adecuado . Otras requieren recablear las luminarias para eliminar el balasto. Una lámpara tubular LED generalmente utiliza muchos LED individuales de montaje superficial que son direccionales y requieren una orientación adecuada durante la instalación, a diferencia de las lámparas de tubo fluorescente que emiten luz en todas las direcciones alrededor del tubo. La mayoría de las luces tubulares LED disponibles se pueden usar en lugar de las designaciones de tubo T5, T8, T10 o T12 , T8 es D26mm, T10 es D30mm, en longitudes de 590 mm (23 pulg.) , 1200 mm (47 pulg.) y 1500 mm (59 pulg.) .      

Iluminación diseñada para LED.

Lámpara de pared LED

Las nuevas luminarias con LED de larga duración integrados, o diseñadas para lámparas LED, se han ido popularizando a medida que disminuye la necesidad de compatibilidad con las luminarias existentes. Este tipo de iluminación no requiere que cada bombilla contenga circuitos para funcionar con la tensión de red .

Plantas

Los experimentos revelaron un rendimiento y una producción sorprendentes de hortalizas y plantas ornamentales bajo fuentes de luz LED. [ 80 ] Se han evaluado muchas especies de plantas en ensayos de invernadero para asegurar que la calidad de la biomasa y los componentes bioquímicos de dichas plantas sean al menos comparables con los cultivados en condiciones de campo. El rendimiento de las plantas de menta, albahaca, lenteja, lechuga, repollo, perejil y zanahoria se midió evaluando tanto la salud y el vigor de las plantas como el éxito de los LED en la promoción del crecimiento. También se observó una floración profusa de algunas plantas ornamentales, como la prímula, la caléndula y el alhelí. [ 80 ] [ 81 ]

Los diodos emisores de luz (LED) ofrecen una iluminación eléctrica eficiente en las longitudes de onda deseadas (rojo + azul), lo que permite una producción en invernaderos en el menor tiempo posible y con alta calidad y cantidad. Dado que los LED no generan calor, las plantas pueden colocarse muy cerca de las fuentes de luz sin sobrecalentarse ni quemarse, lo que requiere mucho menos espacio para el cultivo intensivo que con la iluminación convencional.

Especialidad

Bombilla de repuesto para linterna LED (izquierda), con bombilla de tungsteno equivalente (derecha)

Las lámparas LED blancas han alcanzado el dominio del mercado en aplicaciones donde la alta eficiencia es importante a bajos niveles de potencia. Algunas de estas aplicaciones incluyen linternas , luces solares para jardines o caminos, y luces para bicicletas. Las lámparas LED de colores se utilizan comercialmente en semáforos, donde la capacidad de emitir luz brillante del color requerido es esencial, y en guirnaldas de luces navideñas. Las lámparas LED para automóviles son ampliamente utilizadas por su larga vida útil y tamaño reducido. Se utilizan múltiples LED en aplicaciones donde se requiere una mayor potencia lumínica que la que proporciona un solo LED.

Iluminación exterior

proyectores LED

Hacia 2010, la tecnología LED comenzó a dominar la industria de la iluminación exterior, ya que los LED anteriores no eran lo suficientemente brillantes para este fin. Un estudio realizado en 2014 concluyó que los consumidores reconocían fácilmente la temperatura de color y la precisión de las luces LED, mostrando preferencia por los LED con temperaturas de color naturales. [ 82 ] Actualmente, los LED pueden igualar el brillo y la temperatura de color más cálida que los consumidores desean para sus sistemas de iluminación exterior.

Los LED se utilizan cada vez más en el alumbrado público en sustitución de las lámparas de mercurio y sodio debido a sus menores costes de funcionamiento y de reemplazo. Sin embargo, existe preocupación por el hecho de que el uso de alumbrado público LED con luz predominantemente azul pueda causar daños oculares, y que algunos LED se enciendan y apaguen al doble de la frecuencia de la red eléctrica, provocando malestar en algunas personas y posiblemente generando confusión en maquinaria rotativa debido a efectos estroboscópicos . Estas preocupaciones pueden abordarse mediante el uso de una iluminación adecuada, en lugar de centrarse únicamente en el coste. [ 83 ]

Lámparas ultravioleta

Los LED UV han experimentado un rápido crecimiento en los últimos años gracias a su capacidad para emitir longitudes de onda específicas. A diferencia de las lámparas de descarga de gas o fluorescentes, cuyas longitudes de onda están limitadas por sus materiales, las longitudes de onda de los LED están determinadas por el ancho de banda prohibida.

Para la producción de vitamina D, las lámparas LED son mejores porque las lámparas tradicionales no pueden producir la longitud de onda exacta de 293 nanómetros necesaria para aumentar los niveles de vitamina D. Las lámparas UVB de 293 nanómetros son más efectivas que otras lámparas UVB (como las de 312 nanómetros o de banda ancha) porque proporcionan suficiente luz UVB para la vitamina D sin causar enrojecimiento de la piel, incluso a dosis bajas. [ 84 ]

Comparación con otras tecnologías de iluminación

Consulte la sección de eficacia luminosa para ver una tabla comparativa de eficiencia que muestra diversas tecnologías.

Tabla comparativa

En consonancia con la larga vida útil que se les atribuye a las lámparas LED, se ofrecen garantías extensas. Sin embargo, actualmente no existen procedimientos de prueba estandarizados establecidos por el Departamento de Energía de los Estados Unidos para demostrar estas afirmaciones de cada fabricante. [ 95 ] Se afirma que una lámpara LED doméstica típica tiene una "vida útil promedio" de 15 000 horas (15 años a 3 horas/día) y soporta 50 000 ciclos de encendido/apagado. [ 96 ]

Las lámparas incandescentes y halógenas tienen naturalmente un factor de potencia de 1, pero las lámparas fluorescentes compactas y LED utilizan rectificadores de entrada , lo que provoca factores de potencia más bajos. Los factores de potencia bajos pueden generar recargos para los usuarios comerciales de energía; las lámparas CFL y LED están disponibles con circuitos de control para proporcionar cualquier factor de potencia deseado, o bien se puede realizar una corrección del factor de potencia en toda la instalación . Las normas de la UE exigen un factor de potencia mejor que 0,4 para potencias de lámparas entre 2 y 5 vatios, mejor que 0,5 para potencias entre 5 y 25 vatios y superior a 0,9 para lámparas de mayor potencia. [ 97 ] [ 98 ]

Calificación Energy Star

Energy Star es un estándar internacional para productos de consumo energéticamente eficientes . [ 99 ] [ 100 ] Los dispositivos que llevan la marca de servicio Energy Star generalmente consumen entre un 20 % y un 30 % menos de energía que la requerida por los estándares estadounidenses. [ 101 ]

Calificaciones de Energy Star LED : [ 102 ]

  • Reduce los costes energéticos  : consume al menos un 75 % menos de energía que la iluminación incandescente , lo que supone un ahorro en los gastos de funcionamiento.
  • Reduce los costos de mantenimiento  : dura de 35 a 50 veces más que las bombillas incandescentes y de 2 a 5 veces más que las fluorescentes. No requiere reemplazo de bombillas, ni escaleras, ni gestión de residuos.
  • Reduce los costes de refrigeración  : los LED producen muy poco calor.
  • Está garantizado  : incluye una garantía mínima de tres años  , muy superior al estándar del sector.
  • Ofrece prácticas funciones  : algunos modelos de interior incluyen atenuación de la luz, y algunos modelos de exterior cuentan con apagado automático a la luz del día y sensores de movimiento.
  • Es resistente  ; no se romperá como una bombilla de cristal.

Para poder optar a la certificación Energy Star, los productos de iluminación LED deben superar una serie de pruebas que demuestren que presentan las siguientes características:

  • El brillo es igual o superior al de las tecnologías de iluminación existentes (incandescentes o fluorescentes) y la luz se distribuye uniformemente sobre la zona iluminada por la luminaria.
  • La intensidad luminosa se mantiene constante a lo largo del tiempo, disminuyendo únicamente hacia el final de su vida útil nominal (al menos 35.000 horas o 12 años, basándose en un uso de 8 horas diarias).
  • Excelente calidad de color. El tono de la luz blanca se ve nítido y uniforme con el paso del tiempo.
  • Su eficiencia es igual o superior a la de la iluminación fluorescente.
  • La luz se enciende instantáneamente al encenderla.
  • No parpadea al atenuarse.
  • No consume energía cuando está apagado. La luminaria no consume energía cuando está apagada, a excepción de los controles externos, cuyo consumo no debe superar los 0,5 vatios en estado de apagado.
  • Factor de potencia de al menos 0,7 para todas las lámparas de 5W o más.

Limitaciones

Matriz de LED de temperatura de color variable en un proyector

Los emisores LED son inherentemente adecuados para la atenuación, ya que pueden operar en un amplio rango de corrientes sin un cambio significativo de color. Sin embargo, los circuitos de las lámparas LED deben diseñarse explícitamente para ser atenuables y compatibles con tipos específicos de interruptores atenuadores. [ 103 ] De lo contrario, se pueden producir daños en la lámpara y/o el atenuador. La reproducción cromática no es idéntica a la de las lámparas incandescentes, que emiten una radiación cercana a la de un cuerpo negro perfecto , como el sol. Se utiliza una unidad de medida llamada CRI para registrar cómo una fuente de luz reproduce ocho muestras de color, en una escala de 0 a 100. [ 104 ] No se recomienda el uso de LED con un CRI inferior a 75 en iluminación interior. [ 105 ] Las lámparas LED mal diseñadas pueden parpadear. El efecto se puede observar en un video a cámara lenta de una lámpara de este tipo. La intensidad del parpadeo depende de la calidad de la fuente de alimentación de CC integrada en la estructura de la lámpara, generalmente ubicada en la base. Las exposiciones prolongadas a la luz parpadeante contribuyen a dolores de cabeza y fatiga visual. [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] La vida útil de los LED en función del mantenimiento del flujo luminoso disminuye a temperaturas más altas. La gestión térmica de los LED de alta potencia es un factor significativo en el diseño de equipos de iluminación de estado sólido. Las lámparas LED son sensibles al calor excesivo, como la mayoría de los componentes electrónicos de estado sólido . Además, la presencia de compuestos orgánicos volátiles incompatibles puede afectar el rendimiento y reducir la vida útil. [ 109 ] La larga vida útil de los LED, que se espera sea aproximadamente 50 veces mayor que la de las lámparas incandescentes más comunes y significativamente mayor que la de los tipos fluorescentes, es ventajosa para los usuarios, pero afectará a los fabricantes, ya que reduce el mercado de reemplazos en el futuro lejano. [ 17 ]

El ritmo circadiano humano puede verse afectado por las fuentes de luz. [ 110 ] [ 111 ] La temperatura de color efectiva de la luz diurna es de aproximadamente 5700 K [ 112 ] (blanco azulado), mientras que las lámparas de tungsteno son de aproximadamente 2700 K (amarillo). Las personas que padecen trastornos del sueño relacionados con el ritmo circadiano a veces reciben tratamiento con fototerapia (exposición a luz blanca azulada intensa durante el día) y terapia de oscuridad (uso de gafas con lentes ámbar por la noche para reducir la luz azulada). [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]

Algunas organizaciones recomiendan que no se utilicen lámparas blanco azuladas por la noche. La Asociación Médica Estadounidense se opone al uso de LED blanco azulados para el alumbrado público municipal. [ 116 ] Las investigaciones sugieren que el cambio al alumbrado público LED atrae un 48 % más de insectos voladores que las lámparas HPS , lo que podría causar impactos ecológicos directos e indirectos, como atraer más polillas gitanas a las zonas portuarias. [ 117 ]

Véase también

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Lecturas adicionales

  • E. Fred Schubert (2006). Diodos emisores de luz . Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-45522-0.
  • Krigel, A; Berdugo, M; Picard, E; Levy-Boukris, R; Jaadane, yo; Jonet, L; Dernigoghossian, M; Andrieu-Soler, C; Torriglia, A; Behar-Cohen, F (2016). "El daño retiniano inducido por la luz utilizando diferentes fuentes de luz, protocolos y cepas de ratas revela fototoxicidad por LED" (PDF) . Neurociencia . 339 : 296– 307. doi : 10.1016/j.neuroscience.2016.10.015 . PMID 27751961 . S2CID 1619530 .  
  • e-lumen.eu  – un sitio web de la Comisión Europea sobre la segunda generación de lámparas de bajo consumo (archivado el 12 de diciembre de 2009)
  • Algunas ciudades están reconsiderando la iluminación LED tras la advertencia de la AMA (25 de septiembre de 2016) – The Washington Post