1 Diodos Emisores de Luz

Tecnología y principios de funcionamiento de lámparas basadas en LEDs

1.- Características básicas de los LEDs

Alfonso Gago Calderón. 2012-2013 1

1. Características básicas de los LEDs

Hoy en día, consciente o inconscientemente, todos estamos familiarizados de algún

modo con los LEDs. Los conocemos de verlos en muchos equipos de uso cotidianos, como

radios, televisores, teléfonos móviles y pantallas de relojes digitales. Sin embargo, la

imposibilidad de obtener la gama completa de colores, incluyendo el blanco, y una baja

potencia lumínica limitaron históricamente su uso.

Esta realidad ha cambiado rápidamente en los últimos años con la introducción de

nuevos materiales en los proceso de fabricación que han permitido crear LEDs que emiten

prácticamente en todo el espectro visible generando casi cualquier color y ofreciendo, al mismo

tiempo, una eficiencia lumínica que supera con mucho a la de las lámparas incandescentes y,

hoy por hoy, a casi cualquier tecnología tradicional de iluminación.

Estos avances se deben a que los LED son, a principios del siglo XXI, uno de los

elementos electrónicos que están gozando de un mayor desarrollo, gracias a su implantación

masiva en múltiples aplicaciones y productos. La alta demanda generada está facilitando que

se destinen grandes cantidades de dinero a su desarrollo y que se industrialice de manera

masiva su producción.

El potencial que se le reconoce a estos pequeños dispositivos semiconductores es

enorme y, de este modo, año a año las prestaciones de los LED crecen geométricamente a la

vez que los precios de los mismos mantienen una caída progresiva y constante.

En este proceso de desarrollo los LEDs están expandiendo su uso a un amplio rango

de aplicaciones de iluminación. Considerando sus propiedades particularidades de

funcionamiento de bajo consumo energético y su alto brillo, estas características los hacen muy

adecuados para su uso en ambientes donde se necesita una potencia luminosa alta (por

ejemplo en pantallas de mensaje variables en exteriores donde los televisores convencionales

no pueden competir) y, desde hace pocos años, en iluminación general.

A lo largo de este capítulo vamos a analizar los aspectos técnicos fundamentales de los

LEDs analizados como un dispositivo electrónico de alta eficiencia. En el resto del libro

veremos las distintas aplicaciones en las que se utilizan.

1.1 Características eléctricas de una unión semicon ductora

emisora de luz

LED es el acrónimo inglés de Light Emitting Diode (en español: diodo emisor de luz).

Se trata de un dispositivo semiconductor que emite luz con una longitud de onda

monocromática específica muy bien definida cuando se polariza de forma directa pasando, por



Alfonso Gago Calderón. 2012-2013

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tanto, una corriente eléctrica entre sus dos extremos. Aunque la lente del encapsulado del LED

puede estar coloreada es únicamente por motivos estéticos y de clasificación, pero no influye

en el color de la luz emitida.

A lo largo de este apartado vamos a dar una breve explicación técnica del principio

físico que permite que este dispositivo sea capaz de convertir la corriente eléctrica en un flujo

de luz continua.

La estructura fundamental de los diodos electrónicos consiste en la unión de dos

porciones de cristal, generalmente de silicio (Si), en los que se han añadido impurezas de una

manera controlada (hasta el punto de controlar de manera exacta las inserciones en unidades

por millón de átomos de silicio). Estas impurezas son normalmente algún metal u otro

compuesto químico de manera que obtenemos semiconductores de tipo N y P.

[1.1] Corte de una sección de silicio para fabricac ión de circuitos (a) en base (b) con circuitos inte grados.

Un semiconductor tipo P se obtiene añadiendo al silicio una pequeña cantidad de un

elemento con tres electrones en su capa de valencia. Con ello se aumenta considerablemente

el número de portadores de carga libre positiva (huecos) existentes en el cristal. Cuando se

añade el material dopante, el cristal se queda con un número inferior de electrones en la capa

externa de los átomos de los que podría almacenar el cristal sin doparse.

Un semiconductor tipo N se obtiene añadiendo un elemento con cinco electrones en su

capa de valencia al cristal de silicio. Con ello se aumenta el número de portadores de carga

libre negativa (electrones) existentes en el cristal. Cuando se añade el material dopante, el

cristal se queda con un número muy superior de electrones en la capa externa de los átomos a

los que podría almacenar el cristal sin doparse.

El funcionamiento del semiconductor se basa en que al aportarle energía a través de la

conducción de corriente eléctrica esto hace que algunos electrones de la parte N salten a la

banda de conducción del cristal generando un exceso de portadores. Cuando uno de estos

electrones de la banda de conducción se combina con un hueco de la parte P libera una

energía al volver a la banda de valencia. La cantidad de energía liberada en cada




recombinación es un valor constante y es función de los materiales dopantes utilizados en el

cristal de silicio.

Esta energía se libera en forma de radiación electromagnética que se transmite en

forma de ‘cuantos de energía’ (fotones). La cantidad de energía que contiene cada uno de

estos fotones es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación que se forma, y por

tanto al color emitido, a través de una constante denominada Constante de Planck:

vhE ⋅=

donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y v la frecuencia de la radiación

producida por el fotón.

Si la energía que se libera al recombinarse los electrones es pequeña, dicha energía se

emitirá en forma de ondas infrarrojas de, relativamente, baja frecuencia. Si el electrón genera

más energía las ondas que emitirá el diodo tendrán frecuencia más alta y se pasaría de emitir

luz infrarroja a luz visible: roja, naranja, amarilla, verde, azul, violeta y, por último, fuera de

nuevo del rango del ojo humano, ultravioleta. Estas distintas longitudes de onda se forman

combinando distintas proporciones de materiales en el dopaje del silicio.

Color Diferencia de

Potencial (V.)

Infrarrojo <= 1.6

Rojo 1.8 V – 2.2

Naranja 2.2 V – 2.3

Amarillo 2.3 V – 2.6

Verde 2.6 V – 3.2

Azul 3.0 V – 3.5

Blanco 3.0 V – 3.5

Ultravioleta >= 3.5

Tabla 1.1. Tensiones de polarización nominales prom edio para distintos colores de LEDs.

Los voltajes de operación para alcanzar la corriente nominal para la que están

diseñados los LEDs van desde 1,8 voltios hasta los 3,8 voltios aproximadamente (dependiendo

de nuevo de los materiales dopantes de fabricación y, por tanto, del color de la luz que emiten).

Cuanto más alto sea el valor de la frecuencia de la emisión de la luz deseada mayor será la

caída de tensión requerida en el semiconductor. De este modo, pasaremos de los 0.6 V para

un diodo normal no emisor de Luz, a 1,3 V para un LED infrarrojo, 2,1 V para un LED rojo, 3,0

V para uno verde, y 3,3 V para un LED azul y más de 5 V para un LED ultravioleta (estos




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valores son un cálculo promedio y pueden variar en torno a estos valores según los distintos

procesos de fabricación).

Sin embargo, hay diversos factores que alejan a los diodos reales de este

comportamiento ideal descrito hasta el momento:

• Anulación de portadores sin generación de fotones (recombinaciones no radiantes).

En las recombinaciones no radiantes, la energía liberada al unirse un electrón y un

hueco se convierte en energía vibrante en los átomos de la red cristalina, que se

denomina fonón, que se acaba convirtiendo en calor. El fonón es un modo cuantizado

de vibración propio de cada una de las redes cristalinas. El valor general de las

vibraciones de la red de un sólido las podemos explicar como un gas de fonones que

aumenta su temperatura si no se reduce el nivel de vibración.

Hay diversos mecanismos por los que ocurren las recombinaciones no radiantes pero

la mayoría de ellos están ligados a defectos en la estructura cristalina, como impurezas

no deseadas, defectos de formación, dislocaciones y combinaciones de éstos.

[1.2] Recombinaciones posibles de un electrón – hue co en un cristal semiconductor (a) Fotones (b) Fono nes.

• Perdida de portadores en resistencias parásitas del diodo.

Los efectos resistivos son causados por multitud de efectos como un mal contacto de

los terminales del diodo, por una escasa conductividad de las regiones neutras del

cristal o por canales que establecen puentes sobre la unión P-N, tanto por zonas

dañadas del cristal como por imperfecciones superficiales.

• Absorción de fotones por la misma estructura cristalina antes de poder salir al exterior.

Aunque el 95% de los electrones que atraviesan el LED producen fotones, el chip es en

sí mismo una trampa para ellos. La mayor parte de la luz generada es atrapada

internamente por las superficies del cristal de silicio y transformada en calor. Los

fabricantes están desarrollando técnicas para evitarlo.

Los valores típicos de corriente directa de polarización de un LED convencional están

comprendidos entre los 10 y los 40 mA. En general, los LEDs suelen tener mejor eficiencia

cuanto menor es la corriente que circula por ellos, por lo que se suele buscar un compromiso




entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande sea la intensidad de

corriente que circula por ellos) y la eficiencia energética (mayor cuanto más baja sea la

intensidad de corriente que circula por ellos).

1.2. Características lumínicas de los dispositivos LEDs

Las características lumínicas que más rápidamente se asocian a los LEDs son valores

altos de eficiencia energética y de vida útil, mientras que desde el punto de vista comercial a la

hora de seleccionar un equipo de iluminación los parámetros más analizados son el precio de

compra del equipo y los costes de operación, donde podemos incluir los gastos de energía y de

mantenimiento

¿En que se diferencian los LEDs de las fuentes tradicionales de iluminación?. La

respuesta se basa principalmente en la naturaleza electrónica de los primeros. Los LEDs son

elementos semiconductores, mientras que las lámparas de incandescencia, los fluorescentes y

las lámparas de descarga están basadas en un cerramiento de cristal relleno de gases que

incluyen filamentos, electrodos y/o recubrimientos con propiedades lumínicas.

La emisión de luz en estado sólido, como también se denomina genéricamente a la

iluminación LED, parte de un pequeño cristal de silicio, de tamaño muy reducido que ronda el

milímetro cuadrado. La emisión de luz que produce es fruto del proceso electrónico que

produce la corriente eléctrica al pasar por una unión semiconductora

Lo que se conoce tradicionalmente como un LED, es en realidad un encapsulado que

incluye uno o varios de estos cristales semiconductores de silicio junto con una óptica para

regular la salida de la luz emitida. Esta envolvente, en la mayoría de los casos de plástico, tiene

una resistencia mecánica mayor que las de mucho de los cristales que se emplean en las

bombillas y lámparas de descarga.

La revolución de los LEDs en la iluminación ha estado ligada al aumento de la

eficiencia de la conversión de la corriente eléctrica en fotones de luz y en la gestión eficiente

del calor residual que se genera en los cristales y que perjudican muy negativamente a su

funcionamiento. Por esta razón, los encapsulados han tenido que evolucionar, de meros

bloques de plástico o resinas epoxy a sistemas muy estudiados realizados con complejas

combinaciones de materiales cerámicos y metálicos.

El dispositivo que resulta de unir todos estos componentes son dispositivos que pueden

producir cada uno de ellos una luz por encima del centenar de lúmenes, que pueden ser

utilizados y alimentados de manera individual o en grupos o matrices y acoplados a lámparas,

luminarias o incluso a elementos estructurales.

De manera más específica los puntos fuertes diferenciales de la tecnología LED son:

• Direccionalidad de la emisión de luz. Conducir la luz solo donde se necesita.

• Tamaño. Se suelen valorar mucho los equipos compactos y de bajo perfil.




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• Resistencia a la rotura. Equipos que no incluyan materiales frágiles.

• Temperatura de trabajo. De manera que no interfieran en la temperatura ambiente

de la sala.

• Encendido inmediato. Sin tiempos de calentamientos.

• Alta capacidad de conmutación. Que permitan ciclos rápidos y continuos de

encendidos y apagados.

• Compatibles con sistemas electrónicos de control.

• Evitar emisiones no visibles IR y UV.

• Amplio espectro de temperaturas de color.

A) Emisión direccional de la luz

La principal característica que define a las tecnologías tradicionales de iluminación es

la de la emisión luminosa en todas las direcciones. En la gran mayoría de las aplicaciones esto

implica que parte de la luz generada se desperdicia, porque se pierde o bloquea dentro de la

lámpara o porque no se direcciona hacia la zona que se quiere iluminar. Ópticas especiales y

reflectores son las soluciones habituales para conducir la luz, aunque a costa de una perdida

de eficiencia.

Una matriz de LEDs montados sobre una superficie plana, como una placa de circuito

impreso, emiten la luz siempre de forma hemisférica en lugar de esférica. Esto permite

optimizar en gran medida la eficiencia de extracción de la luz de las lámparas al reducir las

perdidas en reflectores y puntos muertos.

Por este motivo, a la hora de comparar una lámpara tradicional con una de LEDs no se

debe recurrir a la iluminación total emitida por las lámparas (cuya unidad son los lúmenes),

dado que no toda será realmente útil. La comparación directa se debe realizar con los valores

de luz en las superficies de interés: mesas, encimeras, escritorios o directamente el suelo. Esta

medida es la iluminancia (cuya unidad son los luxes).

B) Tamaño compacto y de bajo perfil

El pequeño tamaño y la capacidad de direccionar la luz ofrecen un campo totalmente

nuevo de aplicaciones en el mundo de la iluminación de aplicaciones compactas, potentes y

con una alta capacidad de flexibilidad y adaptación a problemas específicos.

Sin embargo, estas aplicaciones deben estar bien diseñadas y estudiadas de manera

que siempre se garantice una evacuación suficiente del calor generado en los LEDs para que

sean fiables y no se degraden rápidamente.

C) Resistencia a la rotura

Los emisores LED son muy robustos ante vibraciones porque no tienen filamentos,

cerramientos de cristal y, en general, ningún tipo de pieza móvil o frágil. Las lámparas estándar




incandescentes o de descarga sufren los efectos de las vibraciones o los golpes en muchas

aplicaciones industriales o en vehículos.

Los emisores LED se basan en un encapsulado de plástico que incluye el cristal de

silicio que genera las emisiones. Las conexiones internas se realizan por uniones soldadas,

que a pesar de ser el punto más débil del sistema, aguantan sin ningún problema altos

impactos.

Por esta misma razón, lámparas basadas en LED son igualmente muy apropiadas para

aplicaciones donde puedan sufrir golpes, como en instalaciones deportivas, donde el

vandalismo sea una posibilidad frecuente o donde la rotura de una lámpara pueda ser un

riesgo, como habitaciones de niños o zonas de manipulación de alimentos.

D) Temperatura de trabajo

Las temperaturas bajas de trabajo son un problema para el funcionamiento eficiente de

las lámparas fluorescentes. En estas condiciones la tensión de arranque necesaria es mucho

más alta, el tiempo de arranque se ralentiza y el flujo luminoso se reduce considerablemente.

Por ejemplo, a 0 ºC de temperatura ambiente el flujo luminoso de una lámpara fluorescente se

reduce por debajo del 50% del nominal.

Sin embargo los LED tienen una naturaleza totalmente opuesta, aumentando su

eficiencia cuento más baja es la temperatura de trabajo. Por lo que son especialmente

indicados para su uso en cualquier aplicación donde se trabaje en estancias refrigeradas y en

entornos con climas adversos en invierno.

Este aspecto es también el principal problema de la tecnología LED. El propio

funcionamiento del LED implica la generación de calor, que modifica su modo de

funcionamiento y si no se gestiona eficientemente su evacuación va a limitar la funcionalidad y

la vida útil de la lámpara. Este punto se va a analizar detalladamente a lo largo de todo este

trabajo.

E) Encendido inmediato

Las lámparas fluorescentes, especialmente aquellas que contienen mercurio, no

ofrecen de manera instantánea todo el flujo luminoso al encenderse. Este tipo de productos

puede llegar a necesitar hasta 3 minutos antes de alcanzar su estado estable de

funcionamiento. Las lámparas de alta intensidad de descarga tienen unos tiempos de arranque

aun más largos, desde varios minutos para los haluros metálicos hasta 10 minutos o más para

las lámparas de sodio. Estas lámparas tienen además un tiempo mínimo de reencendido, si se

apagan se debe garantizar un tiempo mínimo de enfriamiento antes de poder volver a

conectarse, lo que normalmente lleva unos 10 o 20 minutos. La última generación de lámparas

de alta densidad de descarga han mejorado este tiempo hasta reducirlo a un periodo de entre 2

y 8 minutos.




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La tecnología LED, por el contrario, alcanza el nivel de brillo máximo casi de manera

instantánea, y sin necesidad de tiempos de espera para rearmes. Este punto es muy

importante en determinadas aplicaciones como, por ejemplo, en la iluminación en automoción.

Las luces de freno y los intermitentes generados con tecnología LED se enciende entre 170 y

200 milisegundos más rápido que las tecnologías usadas tradicionalmente, lo que permite

mejorar la seguridad de los conductores.

F) Alta capacidad de conmutación

Las fuentes de luz tradicionales fallan de manera catastrófica si se enciende y apagan

con una alta frecuencia. En las lámparas de incandescencia el filamento de tungsteno se

degrada con cada hora de funcionamiento. Cada vez que se enciende la bombilla se produce

un pico de corriente de arranque que degrada mucho más rápidamente este filamento. En

fluorescentes y lámparas de alta presión de descarga, los altos voltajes de arranque erosionan

los electrodos. En general, las lámparas fluorescentes se clasifican con diferentes tiempos de

vida en función de la frecuencia de encendido y apagado, alcanzándose los valores más altos

cuando se garantizan periodos de encendido y apagado por encima de 12 horas. Las lámparas

de alta presión tienen unos tiempos de arranque y de refrigeración muy altos por lo que no es

posible una conmutación rápida de las mismas.

Por el contrario, la vida útil y el mantenimiento de la luminosidad no se ve afectada por

los ciclos de encendido y apagado en los LEDs. De este modo, son muy útiles para cualquier

aplicación que implique intermitencias, como sensores de ocupación o indicadores de eventos.

G) Posibilidad de regulación del nivel de brillo

Las fuentes de luz tradicionales eficientes presentan muchos problemas con respecto

a su regulación luminosa. La regulación de sistemas fluorescentes es un hito tecnológicamente

superado de manera efectiva, aunque a costa de un equipo con un coste sustancialmente alto.

En aplicaciones con halogenuros la regulación es un punto más problemático, con soluciones

complejas y que no permiten alcanzar rangos de regulación completos (0 – 100%) estando

limitado inferiormente a valores mínimos de un 30%

Los LEDs ofrecen muchas facilidades en términos de control de sus niveles de emisión

manteniendo o incluso aumentando sus parámetros de eficiencia. Son sistemas electrónicos,

controlables por sistemas digitales de gestión, remotos o autónomos, que abren un abanico de

posibilidades de desarrollo muy amplio.

H) No generan emisiones infrarrojas o ultravioleta en emisores de rangos visibles

Las lámparas de incandescencia convierten la mayoría de la energía eléctrica que

consumen en emisiones infrarrojas o en calor radiado. Menos del 10 % de esta energía se

convierte de manera efectiva en luz visible. Las lámparas fluorescentes tienen un mayor

porcentaje de conversión de emisiones dentro del espectro visible, en torno al 20% y este valor

se incrementa aun más en las lámparas de vapor a alta presión. Sin embargo en estas

lámparas se producen de manera significativa emisiones ultravioletas, lo que implica el uso de




recubrimientos especiales y difusores para evitar el exceso de exposición a este tipo de

radiación. Los LEDs sin embargo no emiten radiaciones fuera del espectro visible, esto es,

ningún tipo de emisión infrarroja o ultravioleta.

La emisión excesiva de calor en forma de radiaciones infrarrojas desde las lámparas

presenta un peligro para las personas y los materiales utilizados en las lámparas. Las

radiaciones ultravioleta son muy dañinas para distintos materiales y pueden producir daños en

la piel o en los ojos si se producen exposiciones prolongadas de manera directa.

1.3. La paradoja de la luz fría

Una lámpara LED no va a producir ninguna quemadura en el caso de que se toque

directamente como ocurre con muchas de las fuentes de luz tradicionales. Por este motivo,

tradicionalmente se ha identificado a la luz emitida por estos dispositivos como luz fría. Sin

embargo, al igual que el resto de equipos de iluminación sí producen calor. Este punto no solo

no es bueno para el funcionamiento de los LEDs sino que es el principal responsable de su

degradación,

Esta es la razón por la que el manejo y evacuación del calor que se genera dentro de

una lámpara LED es, sin discusión, el principal aspecto en el diseño de un sistema de

iluminación LED. Entrando en un poco más en profundidad en la generación de calor de los

dispositivos de iluminación se puede afirmar que todas las fuentes de luz convierten la energía

eléctrica en otros modos de energía radiante: luz visible, radiación ultravioleta y calor.

Las lámparas incandescentes emiten principalmente radiaciones dentro del espectro

del infrarrojo, y solo una pequeña porción en el espectro visible. Las lámparas basadas en

fluorescentes y halógenos metálicos convierten una proporción mayor de energía en radiación

dentro del rango visible, pero también lo hacen en el ultravioleta, se adentran en el infrarrojo y

generan igualmente calor.

Incandescencia

(60W)

Fluorescencia †

(CFL)

Halogenuro

Metálico ‡

LED✻

Luz Visible 8% 21% 27% 20-40%

Emisión IR 73% 37% 17% ~ 0%

Emisión UV 0% 0% 19% 0%

Energía Radiante Total

81%

58%

63%

20-40%

Calor (Conducción + Convección)

19%

42%

37%

60-80%

Uso Energético Total

100%

100%

100%

100%

Tabla 1.2. Porcentajes promedio de conversión de po tencia para distintas fuentes tecnológicas de luz b lanca.

Fuentes: †IESNA

‡ OSRAM SYLVANIA ©

✻✻✻✻ CREE Inc. ©




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Los LEDs no generan una cantidad apreciable de radiaciones IR o UV pero sí generan

un porcentaje pequeño de calor, que si no se evacua se va traduciendo en una subida de la

temperatura que pone en peligro la vida útil del dispositivo.

Actualmente en LEDs de última generación de alta eficiencia las perdidas por calor

rondan el 60 y el 80% (valor que también es función del modo de trabajo del LED). La

temperatura de estas lámparas no sube en exceso dado que en general la potencia de este

tipo de equipos nunca es muy alta y aunque el porcentaje de generación de calor pueda

considerarse alto de manera global son valores reducidos.

La eficiencia de conversión depende mucho del modo de trabajo en el que funciona. En

cualquier caso, el Departamento de Energía de los EE.UU., en 2009, estima que la eficiencia

de extracción de fotones superara el 70% para el año 2025.

1.3.1. Como afecta la temperatura a los LED

El exceso de calor en el cristal semiconductor afecta al comportamiento del LED tanto a

corto como a largo plazo.

• A corto plazo, de manera reversible, los efectos de la sobre temperatura son

variaciones en el color emitido y reducciones del flujo luminoso emitido a costa de un

mayor aumento de la generación de calor. De este modo, si no se ponen medios para

remediarlo el sistema puede entrar en una espiral de realimentación positiva que puede

conducir a la destrucción del equipo.

• A largo plazo, conduce a una depreciación acelerada de los lúmenes que es capaz de

emitir y, por ello, recortar sustancialmente el tiempo de vida del equipo.

[1.3] Efecto de la variación del brillo de los LED con la temperatura en función de su color específic o de

emisión.




Los niveles de flujo luminoso de los LEDs diseñados para emitir diferentes colores

responden de manera diferente a las variaciones de temperatura. Los colores amarillo y rojo

son los más sensibles mientras que el azul es el que menos.

Estos diferentes comportamientos de los colores hacen que los sistemas que generan

la luz blanca a través de la combinación RGB sean especialmente sensibles a la temperatura

en el aspecto de la estabilidad de la luz emitida. Los equipos que producen la luz blanca a

través de la emisión de luz azul y su conversión, en parte, a luz amarilla con una capa de

fósforo son mucho más estables en este aspecto.

Después de desarrollar un modelo de color que diferencia, mediante coordenadas

cromáticas, a un color de otro, es necesario determinar en que medida son diferentes los

colores entre sí. La respuesta a esta pregunta fue dada primero por el presidente de la

Sociedad Americana de Óptica, D. L. MacAdam en el año de 1942. MacAdam determinó de

manera experimental que tan diferentes son los colores entre ellos o como percibe el ojo

humano la variación del color. El experimento se vio limitado solamente por el grado de

exactitud con la que el sistema visual humano puede diferenciar o igualar los colores (umbral

diferencial). En él se observó que todas las variaciones en las lecturas de crominancia donde el

color de prueba era igualado, formaban una elipse alrededor del color de la lámpara de prueba.

En el estudio de la percepción del color, una elipse de MacAdam quedó definida como una

región en el diagrama cromático que encierra colores diferentes, pero que para un observador

promedio estos colores parecen todos iguales. Las elipses de MacAdam son la base para la

evaluación de la calidad en la industria de la iluminación. De este modo, los fabricantes de

diodos emisores de luz de prestigio se esfuerzan en asegurar para sus productos una

estabilidad de color muy elevada, garantizando que durante su vida útil, las variaciones de

color que puedan sufrir se produzcan dentro de los canales menos perceptibles por el ojo

humano.

[1.4] Ejemplos de Elipses de MacAdam y como se modi fican las emisiones, con el uso ininterrumpido, tre s

modelos de LEDs CREE XP-G © a lo largo de 16 meses.




12

Por otro lado, y como ya se ha mencionado en varias ocasiones, el trabajo de manera

continuada a una temperatura elevada acelera drásticamente la depreciación de los lúmenes

de nuestros cristales. Sin embargo, la industria sigue poco a poco mejorando la durabilidad de

los LED a mayores temperaturas de trabajo.

1.3.2. Parámetros que determinan la temperatura de la unión del LED

Hay tres parámetros que afectan a la temperatura de la unión semiconductora:

• La corriente de alimentación.

• El pad térmico de evacuación de calor.

• La temperatura ambiente.

En general, a media que aumenta la corriente que atraviesa el LED aumenta la

cantidad de calor que se genera en el cristal. Este calor debe extraerse para mantener las

propiedades del silicio y así mantener los niveles de iluminación de salida, su esperanza de

vida y la estabilidad del color. La cantidad de calor que puede ser extraída depende de la

temperatura ambiente y del diseño del camino térmico desde el chip hasta el ambiente.

El encapsulado de un diodo incluye el cristal de silicio, la óptica y un sustrato conectado

a un pad metálico accesible desde el exterior. El canal de evacuación de calor de una lámpara

LED incluye el pad de extracción de calor del cristal de silicio hasta el exterior del encapsulado,

las conducciones metálicas generadas en la placa de circuito impreso y del disipador de calor

externo.

El disipador de calor externo puede ser un dispositivo de propósito específico integrado

dentro de la luminaria o, en algunos casos, el mismo chasis de la luminaria. Este a su vez

puede estar fabricado en diversos materiales (mecánicos o cerámicos) con diferentes

propiedades de transmisión térmica y tamaños, dependiendo de la cantidad de calor que se

quiera disipar.

La cantidad de calor a disipar y el ambiente de operación son los dos factores de

consideración inicial para aplicaciones de luminarias LED de propósito general. El éxito de

este tipo de productos se alcanza cuando se consigue mantener la Temperatura de trabajo del

cristal de silicio dentro de los rangos que garantiza los tiempos de vida esperados.

1.4. Evolución histórica

Ese efecto de producir luz con un diodo semiconductor fue observó por primera vez en

1907 por el británico H. J. Round. Al realizar experimentos sobre la conducción de corriente en

diferentes materiales detectó que algunos de ellos emitían luz. Round envió un informe de sus

descubrimientos el 9 de febrero de 1907 a la revista Electrical World. Traducida al castellano

esta carta decía:




[1.5] Escrito de H. J. Round describiendo el efecto LED.

“A los editores de Electrical World:

Durante una investigación sobre el paso asimétrico de corriente a través de una unión

de carborundum (SiC) dopada con otras sustancias se ha apreciado un curioso

fenómeno. Al aplicar un potencial de 10 voltios entre dos puntos de un cristal de

carborundum, este emitió una luz amarillenta. Tan solo se pudieron encontrar una de

dos muestras que ofrecieran una luz apreciable con tensiones tan bajas, pero con 110

voltios una gran cantidad de muestras empezaron a brillar. En algunos cristales solo los

bordes emitían luz y en otros esta emisión era verde, naranja o azul, en lugar de

amarilla. En todos los experimentos el brillo aparece desde el polo negativo, mientras

que una chispa brillante azul verdosa aparece en el polo positivo. En un monocristal, si

se realiza el contacto del polo negativo cerca de su centro y el positivo en cualquier otro

lugar del cristal, solo una porción del cristal brilla y es la misma sección que contiene al

polo positivo.

Parece existir algún tipo de conexión entre el efecto mencionado y la emisión producida

por la unión de carborundum con otro conductor cuando se caliente por una corriente

directa o alterna; Pero la conexión puede ser tan solo secundaria como una explicación

obvia de que el efecto emisor es termoeléctrico. El escritor estaría interesado en




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referencias publicadas sobre investigaciones relacionados con este o algún fenómeno

parecido.”

New York, N. Y.

H. J. Round“

Al ser muy pequeña la luz que proporcionaban estos experimentos nadie le dio ninguna

importancia, al igual que a los trabajos de investigación del ingeniero ruso Oleg Vladimirovich

Losev. A mediados de los años 20, Losev observó la emisión de luz por diodos fabricados con

óxido de zinc y cristales de silicio, utilizados en receptores de radio, al circular corriente

eléctrica por ellos. Con sus experimentos escribió varias publicaciones en revistas rusas,

alemanas y británicas y desarrolló patentes en las que proponía la importancia de estos

primeros LEDs para mejorar los sistemas de comunicaciones telegráficos y telefónicos como

conmutadores o relés ópticos sensiblemente superiores en velocidad a los mecánicos.

Losev murió joven, con 39 años, en el año 1942 durante el asedio a Leningrado, sin

discípulos ni compañeros que continuaran sus trabajos de investigación. No fue hasta 1962

cuando Nick Holonyak, investigador de la empresa General Electric en aquel momento,

redescubriera que los cristales semiconductores podían emitir luz roja y se le diera notoriedad

mundial. De ese modo, inventó el primer LED de utilización práctica. Curiosamente, Holonyak

fue alumno de Bardeen, uno de los inventores del transistor bipolar que recibió en Premio

Nobel en 1956. Combinaba galio, arsénico y fósforo, el dispositivo proporcionaba una luz de

color rojo, con una frecuencia de unos 650 nm. y una intensidad de 10 milicandelas.

Este primer LED tenía dos ventajas importantes sobre las luces convencionales de esa

época: la luz era fría y el tiempo de vida de estos productos era elevado. Dichas características

los hacían ideales para indicadores portátiles como calculadoras, relojes, etc.

[1.6] Principales sustancias dopantes para la gener ación de LEDs.

En 1971 The Wall Street Journal publicaba un anuncio de la empresa Monsanto en la

que anunciaba que la luz generada por los LEDs era tan interesante que muy pronto podría

usarse en los faros de los coches. El anuncio recibió muchas críticas porque era claramente

precipitado, pero hoy muchos coches llevan las luces rojas traseras y las intermitencias con

LEDs, e incluso algunos de los focos delanteros, los semáforos tienen LEDs, etc.




El siguiente paso en el desarrollo de los LEDs se basó en el uso del Galio en

combinación con el Fósforo (‘GaP’), con lo que se consiguió una frecuencia de emisión del

orden de los 700 nm. A pesar de que se conseguía una eficiencia de conversión corriente-luz

más elevada que con el ‘GaAsP’, ésta se producía con una corriente eléctrica muy baja y el

incremento de la misma no generaba un aumento lineal en la luz emitida. Además, la

frecuencia de emisión estaba muy cerca del infrarrojo, una zona en la que el ojo no es muy

sensible, por lo que el LED parecía tener un brillo bajo a pesar de conseguir mayores

eficiencias de conversión.

Investigaciones posteriores, ya entrada la década de los 70, añadieron nuevos colores

a los espectros de onda que se podían conseguir. Un alumno de Holonyak, George Craford,

logró que la luz dejase de ser exclusivamente roja fabricando los primeros LEDs amarillos.

Posteriormente, y de manera muy rápida, distintas proporciones de materiales produjeron

distintos colores: verde y rojo utilizando ‘GaP’ y ámbar, naranja y rojo de 630 nm. (más

centrado en el espectro visible) utilizando ‘GaAsP’. También se desarrollaron LEDs infrarrojos,

que se hicieron rápidamente populares en sistemas de transmisión inalámbricos sencillos como

los mandos de controles remotos (ver capítulo 4).

En la década de los 80 se desarrolló un nuevo material: el ‘GaAlAs’ (Galio, Aluminio y

Arsénico). Con la introducción del aluminio se alcanzaron unas mayores eficiencias en los

LEDs: su brillo era aproximadamente 10 veces superior al de sus predecesores y además se

podía utilizar con valores de corrientes puntuales más elevados que los nominales, lo que

permitía usarlos en circuitos multiplexados y así, facilitar la fabricación de paneles de mensaje

variable. Sin embargo, este material se caracterizó por tener dos limitaciones:

• Se conseguían solamente frecuencias del orden de los 660 nm. (color rojo).

• Se degradan más rápidamente que los otros materiales, efecto que se acentúa con

valores elevados de temperatura y humedad ambiente.

La calidad del encapsulado es un factor fundamental en la durabilidad de los LEDs. Los

primeros desarrollos de resinas epoxi para su encapsulado no poseían una buena

impermeabilidad ante la humedad. Además los primeros LEDs se fabricaban manualmente, el

posicionamiento del sustrato y el vertido de la resina era realizado por operarios y no por

maquinas automáticas, por lo que la calidad del LED era variable y la vida útil mucho menor

que la esperada. Hoy en día se han superado sobradamente estas limitaciones. Las resinas

modernas son altamente sofisticadas y robustas y es común que posean inhibidores de rayos

UVA y UVB, especialmente en aquellos LEDs destinado al uso en el exterior.

En los 90 apareció en el mercado un nuevo grupo de materiales para producir LEDs: el

‘AlInGaP’ (Aluminio, Índio, Galio y Fósforo). Las principales virtudes de este compuesto son:

• Puede conseguir una gama de colores amplia, desde el rojo al amarillo cambiando la

proporción de los materiales que lo componen




16

• Su vida útil es sensiblemente mayor a la de sus predecesores. Mientras que los

primeros LEDs tenían una vida efectiva promedio de 40.000 horas, los LEDs basados

en ‘AlInGaP’ pueden durar más de 100.000 horas aún en ambientes de elevada

temperatura y humedad.

En general, es muy complicado que un LED falle de forma brusca salvo por problemas

de montaje de sus conexiones o por hacerlo funcionar en condiciones extremas. Si ocurre un

cortocircuito se puede abrir como un fusible e incluso se puede quemar si se hace circular una

elevada corriente: pero en condiciones normales de uso un diodo simplemente se degrada lo

que provoca una muy lenta pérdida de luminosidad. Cuando el LED ha perdido un porcentaje

de su brillo inicial, se dice que ha llegado al fin de su vida útil. Un cálculo rápido muestra que en

un año hay 8.760 horas, por lo que podemos considerar que un LED de ‘AlInGaP’ tiene una

vida útil continuada de más de 10 años.

La fabricación industrial de los LEDs se realiza depositando en capas sobre un sustrato

los distintos materiales que los componen por medio de vapores. Estos materiales base o

sustrato influyen en la dispersión de la luz: los primeros diodos emisores de ‘AlInGaP’ se

depositaban sobre sustratos de ‘GaAs’, que absorben la luz innecesariamente. Un adelanto en

este campo fue el reemplazar el sustrato de ‘GaAs’ por uno de ‘GaP’, que es transparente,

ayudando de esta forma a que una mayor cantidad de luz sea emitida fuera del encapsulado.

Este nuevo proceso dio origen al Tranparent Substrate (TS) o sustrato transparente y al original

‘AlInGaP’ pasó a denominarse Absorbent Susbtrate (AS) o sustrato absorbente. En todos los

cambios de las tecnologías de fabricación de LEDs, la eficiencia luminosa se incrementaba

típicamente en un factor de 2, pudiendo llegar en algunos casos hasta un factor de 10. Como

efecto secundario de reemplazar el AS por el TS se nota un pequeño acercamiento al rojo en la

frecuencia de emisión, pero generalmente menor a los 10 nm.

A pesar de todos los avances faltaba por conseguir los LEDs azules, color que era muy

importante para muchas aplicaciones:

� Para poder introducir más información en los dispositivos ópticos.

� Para poder tener la terna de colores básicos para la obtención de colores por

adición (RGB: red + green + blue o rojo + verde + azul).

� Para lograr una luz blanca y poder utilizar los diodos en aplicaciones de iluminación

como sustitutos de las bombillas convencionales o los fluorescentes.

A final de los 90 se consiguió finalmente reproducir luz azul LEDs gracias a los trabajos

de investigación de Shuji Nakamura, trabajador de la compañía Nichia (empresa fabricante de

LEDs de origen japonés). La dificultad para obtener este color era debido a su elevada energía

de funcionamiento y la relativamente baja sensibilidad del ojo a esa frecuencia (del orden de

los 460 nm.).

Hoy en día coexisten varias técnicas diferentes para producir luz azul: ‘SiC’ (Silicio y

Carbono), ‘GaN’ (Galio y Nitrógeno), ‘InGaN’ (Indio, Galio y Nitrógeno sobre substrato de




Zafiro) y ‘GaN’ sobre sustrato ‘SiC’. El compuesto ‘GaN’, inventado por Nakamura, es

actualmente el más utilizado en LEDs de señalización. Otras técnicas como la de ‘ZnSe’ (Zinc y

Selenio) han sido dejadas de lado y el ‘SiC’ posiblemente seguirá el mismo camino debido a su

bajo rendimiento de conversión y elevada degradación con la temperatura. Es también posible

lograr otros colores con el mismo material ‘GaN’, como por ejemplo el verde azulado o

turquesa, de una frecuencia del orden de los 505 nm. Este color es importante ya que es el

utilizado para los semáforos. Su tono azulado lo hace visible para las personas daltónicas

(enfermedad congénita que hace a quien la padece ser parcialmente ciego a determinadas

frecuencias de color, y generalmente dentro de ellas está la correspondiente al verde puro que

tiene una frecuencia del orden de los 525 nm.)

El último gran avance tecnológico en la generación de LEDs es la aplicación del

fósforo, no como dopante, sino como recubrimiento de los cristales de silicio. Este proceso de

fabricación ha permitido la obtención de nuevos colores como el púrpura o el violeta y,

especialmente, se ha convertido en un elemento muy importante para la producción de luz

blanca de una forma más eficiente que la mera combinación de los colores primarios.

Analizaremos en el siguiente punto este proceso más en detalle.

[1.7] Conjunto de LEDs con colores de todos los seg mentos del espectro visible.

Temperatura de Color Color Tensión de

polarización directa Intensidad @ 20 mA. Materiales

4000 K Blanco Cálido 3,6 V @ 20 mA. 2000 mcd. SiC/GaN

5500 K Blanco Neutro 3,6 V @ 20 mA. 4000 mcd. SiC/GaN

8000 K Blanco Frío 3,6 V @ 20 mA. 6000 mcd. SiC/GaN

Tabla 1.3. Temperaturas de color LED de color blanc o, descripción del color y sustancias dopantes con las que

se fabrican.




18

Longitud de Onda Color Tensión de

polarización directa Intensidad Materiales

940 nm. Infrarrojo -- 1,5 V

@ 20 mA. 16 mW

@ 50 mA. GaAs

880 nm. Infrarrojo -- 1,7 V

@ 20 mA. 18 mW

@ 50 mA. GaAlAs

660 nm. Ultra Rojo

1,8 V @ 20 mA.

2000 mcd @ 20 mA.

GaAlAs

635 nm. Rojo Alta Eficiencia

2,0 V @ 20 mA.

200 mcd @ 20mA. GaAsP/GaP

633 nm. Súper Rojo

2,2 V @ 20 mA.

3500 mcd @ 20 mA.

InGaAlP

620 nm. Súper Naranja

2,2 V @ 20 mA.

4500 mcd @ 20 mA.

AlInGaP

612 nm. Rojo – Naranja

2,2 V @ 20 mA.

6500 mcd @ 20 mA.

InGaAlP

605 nm. Naranja

2,1 V @ 20 mA.

160 mcd @ 20 mA.

GaAsP/GaP

592 nm. Amarillo Puro

2,1 V @ 20 mA.

7000 mcd @ 20mA.

GaAsP/GaP

585 nm. Amarillo

2,1 V @ 20 mA.

100 mcd @ 20 mA.

AlInGaP

570 nm. Verde Lima

2,0 V @ 20 mA.

1000 mcd @ 20 mA.

InGaAlP

565 nm. Verde

2,1 V @ 20 mA.

200 mcd @ 20mA.

GaP

555 nm. Verde Puro

2,1 V @ 20 mA.

80 mcd @ 20 mA.

InGaAP

525 nm. Verde Acuoso

3,5 V @ 20 mA.

7000 mcd @ 20 mA.

SiC/GaN

505 nm. Verde turquesa

3,5 V @ 20 mA.

2000 mcd @ 20 mA.

InGaN/Zafiro

480 nm. Súper Azul

3,6 V @ 20 mA.

2000 mcd @ 20 mA.

SiC/GaN

430 nm. Azul

3,8 V @ 20 mA.

100 mcd @ 20 mA.

GaN

370 nm. Ultravioleta -- 5 V. @ 20 mA. ----- GaN

Tabla 1.4. Longitudes de onda de LEDs, descripción del color y sustancias dopantes con las que se fabr ican.

En las tablas 1.3 y 1.4 se han recopilado todos los materiales dopantes y longitudes de

onda mencionados hasta ahora, así como las distintas frecuencias de emisión típica y los

rangos de color blanco de los LEDs disponibles comercialmente y sus materiales

correspondientes. Los datos técnicos han sido obtenidos de distintos fabricantes: Avago, Cree,

Everlight, Kingbright, Lumiled, Nichia, Osram, Seoul, etc. Son valores promedio que se van

actualizando y mejorando continuamente.




1.5. Generación de luz blanca con LEDs

En la actualidad, la creación eficiente de luz blanca con materiales semiconductores es

uno de los grandes desafíos científicos y tecnológicos a los que se enfrenta la tecnología LED

Para acometer aplicaciones en señalización y decoración y, especialmente de iluminación general

la luz blanca se consigue por dos vías:

• Mediante las combinación de los colores rojo, verde y azul bajo una misma lente o

superficie de proyección (generación aditiva de colores).

• Mediante la conversión con fósforo de radiaciones azules (en un proceso similar al que se

emplea en las lámparas de descarga de vapor de mercurio, aunque en estos casos a partir

de radiaciones ultravioletas).

[1.8] Focos con modelos de generación de luz blanca (a) por combinación RGB o por (b) conversión por f ósforo.

Los LEDs son capaces de emitir directamente y de manera muy eficiente en los colores

rojo, verde y azul con una longitud de onda muy bien definida. La combinación de diferentes

intensidades de cada uno de ellos permite obtener colores y tonos de blanco muy diferentes.

Este sistema de generación de color, en iluminación presenta varios inconvenientes:

• Este modelo de generación de luz blanca necesita una mezcla eficiente de los tres

colores básicos. Esta combinación va a depender de la distancia de proyección, las

lentes utilizadas y la superficie iluminada y por tanto es bastante difícil realizar

productos para aplicaciones genéricas.




20

• Las fuentes monocromáticas de diferentes colores no tienen comportamientos similares

en parámetros como tensión de polarización, rendimiento energético, vida útil o

estabilidad cromática.

La segunda tecnología utilizada para obtener el color blanco se basa en el uso de un

recubrimiento de fósforo del cristal de semiconductor. Cuando al fósforo le llega un fotón de

baja energía (rojo o infrarrojo) no se aprecia ningún efecto visible, pero cuando le incide un

fotón de alta energía (azul), este material se activa y es capaz de reemitir la luz en otros

colores, dependiendo de las impurezas que contenga el fósforo.

El principio de funcionamiento actual más común del LED Blanco de alta potencia se

basa, por tanto, en un LED azul muy brillante y eficiente recubierto de este material. El fósforo

se encargara de absorber parte de la radiación azul emitida y generar un amplio grupo de

emisiones dentro de todo el espectro visible.

La tecnología ha evolucionado con la mejora en la eficiencia de los LEDs azules y

especialmente con el desarrollo de tecnologías de fabricación de fósforos. Su potencia de brillo

se multiplicó por 6 entre 2002 y finales de 2006 mientras que el coste por lumen disminuyó 7

veces su valor. De este modo, el mercado del LED blanco de alto brillo creció en un promedio

de 42% anual en este periodo. (Fuente: Steele, R.V. “The story of a new light source”, Nature

Photonics, 2007).

Precisamente 2006 fue el año en el que se alcanzaron con este tipo de dispositivos

niveles de eficiencia de conversión suficientemente altos como para ser considerados

competitivos con respecto al resto de tecnologías tradicionales de iluminación. Este punto se

considera el inicio de una nueva carrera tecnológica y el despegue real de una nueva industria.

Según el tipo, cantidad y proceso de deposición de fósforo se pueden conseguir emisiones

blancas de diferentes temperaturas de color dado que se convierte una cantidad diferente de la luz

azul emitida por el cristal en luz amarilla.

[1.9] Curvas del espectro de la emisión radiante de diodos blancos basados en la conversión por fósfor o para

obtener diferentes temperaturas de color.




[1.10] Deposiciones de fósforo para conseguir, de i zquierda a derecha, (a) luz fría, (b) luz neutra y (c) luz cálida.

1.6. Modelos de LEDs

Se pueden realizar multitud de clasificaciones de LEDs en función de diferentes

parámetros: especificaciones técnicas, campos de aplicación, potencia luminosa, ángulos de

iluminación, tipo de encapsulado, etc.

Todas estas posibles clasificaciones están relacionadas entre ellas dado que cada

aplicación se relaciona con un encapsulado, asociado con un ángulo de visión, y de una

potencia determinada. Del mismo modo, la gran dispersión de productos LEDs esta siendo

cribada por los procesos técnicos de producción industrial y por el propio mercado, que están

reduciendo a unas pocas opciones las más impulsadas.

Intentando ofrecer una clasificación sencilla y que muestre de manera representativa la

realidad de esta tecnología realizamos una división básica entre los LEDs destinados a

señalización y los modelos destinados específicamente para iluminación.

Dentro de cada uno de estos dos grupos vamos a analizar los distintos encapsulados

con los que se distribuyen y cómo éstos afectan a su funcionalidad y, por tanto, a sus posibles

aplicaciones.

1.6.1. LEDs de señalización

Dentro de los leds de señalización podemos considerar aquellos que están

específicamente diseñados para ofrecer información, ya sea simplemente por el hecho de estar

encendidos (o a través del nivel de la intensidad de luz que emiten) o por cómo se relacionan

con otros LEDs de su misma aplicación. Este sería el caso de una pantalla de mensajes

variables o de video.

Queremos recalcar que a pesar de clasificarse en un grupo diferente a los de los LEDs

de mayor potencia, estos LEDs pueden llegar a emitir potencias luminosas altas, más que




22

suficientes para pantallas u otras aplicaciones diseñadas para trabajar en exteriores y con

requisitos de visibilidad altísimos.

[1.11] Muestrario de encapsulados de LEDs de inserc ión.

1.6.1.1. Encapsulados de LEDs de señalización

Existen numerosos encapsulados disponibles para estos LEDs y su cantidad se

incrementa de año en año a medida que sus aplicaciones se hacen más numerosas y se hacen

más específicas.

El encapsulado cilíndrico T1 ¾ de 5 mm. de diámetro es el más común y se estima que

el 70% de la producción mundial en 2008 correspondió a este tipo de encapsulado. Este

encapsulado está provisto de dos terminales que tienen aproximadamente de 2 a 2,5 cm. de

largo y sección generalmente de forma cuadrada. En el esquema podemos observar que la

parte interna del terminal del cátodo es más grande que el ánodo. Se genera de este modo

porque el cátodo se encarga de sujetar al sustrato de silicio y por lo tanto será este terminal el

encargado de disipar el calor generado hacia el exterior. El terminal del ánodo se conecta al

chip por un delgado hilo de oro.

[1.12] Diagrama de secciones y componentes de un LE D T1 ¾ (5 mm.) de inserción.




El terminal que sostiene el sustrato cumple otra misión muy importante: la de reflector,

ya que posee una forma parabólica o semicircular. Este es un punto crítico en la concepción y

fabricación del LED ya que un mal enfoque puede ocasionar una pérdida considerable de

energía o una proyección no uniforme.

Un LED bien enfocado debe proyectar un haz luminoso simétrico cuando se proyecta

sobre una superficie plana. Un LED con un enfoque defectuoso se puede identificar porque

proyecta sombras con la forma del sustrato y a veces se observa un aro más brillante en el

exterior de círculo. Esto es síntoma de que la posición del sustrato se encuentra por detrás del

centro focal del espejo.

Dentro de las características ópticas del LED, aparte de su luminosidad, está la del

ángulo de visión. Se define generalmente el ángulo de visión como el desplazamiento angular

desde la perpendicular del LED donde la potencia de emisión disminuye a la mitad (reducción

al 50% del brillo emitido frontalmente). Según la aplicación que se le de al LED se necesitará

un ángulo de visión diferente. Así, son típicos LEDs con 4, 6, 8, 16, 24, 30, 45, 60 y hasta 90

grados de ángulo de visión. Generalmente el ángulo de visión está determinado por el radio de

curvatura del reflector del diodo y principalmente por el radio de curvatura del encapsulado.

Mientras más pequeño sea el ángulo, y a igual sustrato semiconductor, tendrá una mayor

potencia de emisión y viceversa.

Los ángulos de visión deben representar también la apreciación del cambio del color

por parte de un observador. Si ocurre un cambio significativo de éste antes de que el brillo

caiga hasta el 50%, este valor será el criterio para determinar el ángulo de visión real de este

tipo de encapsulado.

[1.13] Definición del ángulo de emisión de un LED.

En la parte más externa del LED se encuentra el encapsulado epoxi, que es el

encargado de proteger al semiconductor de las inclemencias ambientales y ayuda a formar el

haz de emisión. La eficiencia de extracción de luz puede ser mejorada usando encapsulados

de este material con forma cónica con altos índices de refracción. Con ellos se consigue

aumentar en un factor de 2 ó 3 la eficiencia de un semiconductor típico.




24

[1.14] Ángulos de visión de LEDs de inserción con a berturas de haz estrecho y medio.

Existen básicamente 4 tipos de encapsulados si los catalogamos por su color.

o Transparentes (clear water): Es el más utilizado en LEDs de alta potencia de emisión

debido a que es importante que estos encapsulados absorban la menor cantidad posible

de luz emitida. Es bastante complicado determinar su color de emisión estando

apagados.

[1.15] Encapsulados de LEDs (a) transparentes y (b) tintados.

o Coloreados (tinted): Son similares al encapsulado anterior pero coloreado con el tono de

emisión. Se usa principalmente en LEDs de mediana potencia y/o donde sea necesario

identificar el color del dispositivo aun cuando se encuentra apagado.

El cristal del diodo es el elemento que determina el color de emisión y no el encapsulado.

Un encapsulado con un color de paso distinto a la frecuencia de emisión del sustrato solo

lograría filtrar la luz del LED, bajando así su brillo aparente al igual que cualquier objeto

semitransparente colocado delante de él.

o Difusos (difused): Estos LEDs tienen un aspecto más opaco que el encapsulado

transparente. Poseen pequeñas partículas de cristal en suspensión en el epoxy y son las

encargadas de desviar la luz, obteniéndose ángulos de visión homogéneos de hasta +/-

35 grados.




[1.16] Encapsulados de LEDs difusos.

Al margen de los encapsulados de LEDs de inserción, existe otro tipo de encapsulado

de montaje superficial en placas de circuitos impresos. Estos han proliferado para su utilización

en aplicaciones donde se necesitan tamaños más pequeños o de más alta integración de

componentes, como la retroiluminación.

Los LEDs de montaje superficial están disponibles en un solo color, o integrando en el

mismo encapsulado dos colores (generalmente rojo y verde) y tres uniones semiconductoras

(RGB). La unión de diodos dentro de una misma óptica permite que la mezcla de los colores

que producen sea perceptible a una distancia mínima del LED.

La óptica empleada en este tipo de diodos se encuentra mucho más cercana al cristal

de silicio y permite difundir la luz con ángulos mucho mayores que en los encapsulados de

inserción, aunque a costa de una disminución general del brillo emitido.

[1.17] Encapsulado SMD de una triada LED RGB.

[1.18] Encapsulados LED SMD de muy bajo perfil.




26

[1.19] Ángulos de visión de LEDs SMD con aberturas de haz ancho y muy ancho.

Los fabricantes clasifican los LEDs por el flujo luminoso y la longitud de onda

dominante, indicando para ello un código ‘Bin’, así como un grado de selección. Esta

clasificación de los LEDs es denominada binning. Controlando este parámetro es posible

garantizar que en un mismo proyecto o aplicación no haya variaciones de color apreciables y,

además, permite asegurar que tras una futura sustitución de parte de una instalación, ésta

tendrá la misma apariencia que las que se tenía en un principio.

1.6.2. LEDs de potencia

La limitación tecnológica más importante de los LEDs es cómo la temperatura influye

muy negativamente en ellos. Si la aplicación en la que se instalan los LEDs no es capaz de

disipar el calor que ellos mismos producen, o el que pueda provenir del exterior, tanto la vida

de los LEDs como la eficiencia y la cantidad de luz emitida se reducirán considerablemente.

[1.20] Modelos de encapsulados LED SMD de potencia con pad térmico de diferentes tamaños y fabricantes .




Las aplicaciones de iluminación requieren de una potencia luminosa tal que ha sido

necesario generar un nuevo sistema de encapsulados para LED especiales que permitieran

integrar en ellos mucha potencia luminosa, y por tanto eléctrica, funcionando

ininterrumpidamente unos tiempos muy largos. En estos encapsulados se necesitaba incluir un

sistema que facilitara la evacuación del calor que se produce en el cristal de silicio. De este

modo, en 2004, surge el primer encapsulado con un pad de disipación térmica eléctricamente

aislado. Este diseño implica la inclusión de un tercer PAD en el encapsulado sin una función

eléctrica (y por tanto por el que no van a circular electrones). Su misión exclusiva es la de

conectar a través de una canal con alta capacidad de conducción térmica el sustrato donde se

aloja el cristal de silicio con un plano metálico de la placa de circuito impreso acoplado al

disipador de la lámpara.

La introducción de esta nueva tecnología ha posibilitado que tanto el rendimiento

luminoso y el número de lúmenes de los LEDs así como los tiempos de vida de los mismos

mejoraran constantemente hasta nuestros días. Estos aumentos han estado muy relacionados

con el avance en el diseño de estos nuevos encapsulados para los cristales, optimizando su

capacidad de disipación térmica. Un mal diseño puede reducir el rendimiento luminoso de un

semiconductor LED en más del 40% frente a los valores obtenidos con el mismo cristal en un

diseño óptimo.

Estos encapsulados tienen como principal inconveniente sus costes de fabricación. A

pesar de los incrementos de las líneas de producción y los consumos de los mismos y los

desarrollos de investigación del producto los precios siguen siendo altos, suponiendo un

porcentaje alto de los costes de fabricación de una lámpara. En cualquier caso, y dado la alta

expectación que hay sobre estos productos, existen dudas en los mercados de que exista, a

día de hoy, capacidad suficiente para satisfacer la demanda del mercado de producto final, y

que se mantienen unos precios altos regulando las cantidades puestas en el mercado por unas

pocas empresas gracias a los derechos adquiridos por patentes sobre deposición de fósforo

para la fabricación de LEDs de alta potencia.

Las mejoras en los encapsulados y en cómo cuidan a los cristales han facilitado que los

LEDs no lleguen a fallar abruptamente sino que simplemente se van a ir degradando con el

uso, perdiendo intensidad poco a poco. Estos ratios de depreciación de la iluminación marcan

directamente la vida útil de los LED. Más adelante, en un apartado específico analizaremos

como se han fijado unos criterios para definir y medir esta variable.

A continuación se muestra una gráfica en la que se compara la evolución del brillo

luminoso emitido por LEDs con los encapsulados convencionales y los de alta potencia con

disipadores térmicos.




28

[1.21] Curvas comparativa del envejecimiento de un LED con encapsulado de señalización de inserción de 5

mm. y de un LED de potencia con PAD de disipación t érmica.

La curva “a” describe un LED de inserción de 5 mm. trabajando nominalmente a 20

mA; la curva “b” es para un LED blanco de alta potencia. (Fuente: N. Narendran y L. Deng,

“Performance characteristics of light emitting diodes”, Proceedings of the IESNA Annual

Conference, pp. 157-164, Illuminating Engineering Society of North America, Salt Lake City,

Utah, August 4-7, 2002.)

Este gráfico muestra la evolución de la depreciación luminosa de los dos tipos de LEDs

con el tiempo. Los LEDs con disipación térmica para alta potencia mejoran notablemente estos

resultados. Consultando las hojas de datos que ofrecen los fabricantes, encontramos productos

comerciales que aseguran que la vida operativa del LED, trabajando en modo pulsante, por

debajo de los 75º C y con una intensidad de 220 mA. puede ser mayor de 60.000 horas sin que

se degrade hasta llegar al 90% de su intensidad luminosa inicial.

[1.22] Modelos de lámparas de iluminación LED fabri cadas con encapsulados de señalización.




Por este motivo no recomendamos ni la fabricación ni la compra de lámparas LED para

iluminación general basada en encapsulados de inserción, ni en general, en diodos que no estén

específicamente diseñados para este propósito contando con un sistema eficiente para la

evacuación del calor.

La gama de productos diseñados con este tipo de encapsulados es muy amplia y cada

vez va creciendo más. Los encapsulados se adaptan a diferentes configuraciones de:

• Montaje: Los LEDs de potencia se han generado exclusivamente en formato SMD.

• Óptica: Hay encapsulados de iluminación:

o Direccionales: Facilita la adaptación de ópticas con capacidad de dirigir la luz.

o No direccionales: Ofrecen uniformidad en luz y color en todos los ángulos.

• Proyección de luz: frontal o lateral.

• Potencia luminosa: interiores, exteriores.

• Concentración de cristales:

o 1 cristal.

o 1 Serie de varios cristales puestos en serie o en paralelo.

o 1 Matriz de cristales.

[1.23] Encapsulado LED de potencia con 1 cristal.

[1.24] Encapsulados LED de potencia con varios cris tales en serie o en paralelo. CREE MX-6 © y MX-3S © .




30

[1.25] Encapsulados LED de potencia con matrices de cristales. (a) Cree MTG © (b) Cree MP-L ©.

La concentración de varios cristales dentro de un mismo encapsulado es una de las

líneas más recurrentes para conseguir dispositivos de muy alta potencia luminosa; sin embargo

esta tendencia en muchos casos es contraria a la mejora en el rendimiento global que se

puede conseguir.

La alta velocidad a la que se desarrolla la tecnología hace que ni siquiera los propios

fabricantes de LEDs sepan lo que tienen entre manos. Modelos de LEDs como el MX-6 © de

CREE salieron al mercado en 2009 con una intensidad nominal de 350 mA. Sin embargo, hoy

en día y tras numerosos experimentos y pruebas se oferta este mismo producto afirmándose

que puede funcionar a 1000 mA. (3 veces más que la intensidad para la que originalmente se

pensaron).

[1.26] Evolución del rendimiento de un LED de poten cia Cree XM-L © en función de la corriente de trabajo.




Esto permite que, por el mismo precio, podamos tener equipos que ofrecen bastante

más luminosidad, siempre y cuando podamos garantizar que podemos evacuar todo el calor

generado. Sin embargo este modo de uso tiene una consecuencia inmediata sobre la eficiencia

de trabajo del LED. Ésta decrece a medida que se le suministra más corriente. Podemos ver

este efecto en una gráfica donde se ve cómo cambia el rendimiento en función de la corriente

de alimentación (trabajando a una misma temperatura de 85 ºC en el cristal).

A la hora de realizar un diseño de una lámpara, este es uno más de los parámetros que

se debe tener más en cuenta a la hora se establecer el sistema de alimentación de la misma y

prever los resultados que se van a obtener con ella.

El capítulo sobre iluminación general con LEDs de este libro esta específicamente

dedicado a los parámetros de funcionamiento de este tipo de diodos y las aplicaciones en las que

se utilizan en estos momentos y las tendencias de evolución.

1.6.3. Otros sistemas de iluminación basados en sem iconductores

Independientemente de estos dos grandes bloques descritos existen múltiples líneas

de investigación para la obtención de luz a través de materiales en estado sólido que plantean

la utilización de nuevos materiales o tecnologías de fabricación. Vamos a continuación a

resaltar algunas de ellas, que a pesar de tener un nivel de repercusión muy reducido en la

actualidad presentan unas líneas de trabajo con un alto potencial tecnológico.

1.6.3.1. OLEDs

Un OLED es un diodo de emisión de luz generado a partir de polímeros orgánicos

(acrónimo del inglés Organic Light-Emitting Diode), que generan una capa electroluminiscente

que reacciona a una determinada estimulación eléctrica.

Los dispositivos están compuestos por dos finas capas orgánicas: capa de emisión y

capa de conducción, que a la vez están comprendidas entre una fina película que hace de

terminal ánodo y otra igual que hace de cátodo. En general cada una de estas capas está

formada por moléculas o polímeros que permiten el paso de la electricidad pero con niveles de

conductividad limitada, lo que les confiere el nombre de semiconductores orgánicos. Al aplicar

un potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo la capa de emisión comienza a cargarse

negativamente (por exceso de electrones), mientras que la capa de conducción se carga con

huecos (por carencia de electrones). Las fuerzas electrostáticas atraen a los electrones y a los

huecos, que se recombinan generando radiaciones luminosas.

Comparados con los LEDs orgánicos, los LEDs inorgánicos o convencionales son más

luminosos, robustos y de vida más larga. Sin embargo, los orgánicos pueden fabricarse sobre

un sustrato flexible, en conjuntos densos e interconectados. Imprimiendo grandes conjuntos de

LEDs inorgánicos ultra finos y ultra pequeños, e interconectándolos usando un proceso de

película delgada similar al de las pantallas TFT; con ellos es posible crear sistemas de

alumbrado o pantallas de alta resolución.




32

Las nuevas tendencias tecnológicas de investigación en este campo combinan las

características principales de los LEDs orgánicos e inorgánicos. Una solución tecnológica

intermedia que pretende aprovechar las ventajas de la eficiencia alta de los LEDs típicos

(hechos con materiales inorgánicos principalmente), y los costes menores de los OLEDS

(derivados del uso de materiales orgánicos, son los sistemas de iluminación híbridos

(Orgánicos/Inorgánicos) basados en diodos emisores de luz.

Igualmente se están llevando a cabo investigaciones para desarrollar una versión de

LED orgánico que no sólo emita luz, sino que también recoja la energía solar para producir

electricidad. Con este tipo de tecnología, se podrían construir todo tipo de pequeños aparatos

eléctricos capaces de procurarse su propia energía y de operar con independencia de la red

eléctrica.

Ventajas de los OLEDs

La aplicación fundamental actual de los OLEDs es la de generar pantallas, donde

cuentan como principal ventaja competitiva la del bajo consumo energético.

Las pantallas LCD basan su funcionamiento en la generación de una luz blanca que se

filtra en cada uno de sus píxeles para conseguir la cantidad de luz y el color deseado. Las

pantallas OLED proponen sin embargo generar únicamente la luz necesaria para generar la

información de cada píxel. Por lo que no es necesario desperdiciar ninguna cantidad de luz a la

vez que ofrecen un mayor contraste al no necesitar una base translúcida.

[1.27] Primer televisor OLED comercializado. Fabric ado por Sony © con 12 pulgadas.

Además, Las pantallas OLEDs son más delgadas ya que no necesitan luz de respaldo

y los polímeros orgánicos son muy finos y pueden ser flexibles, al poder disponerse los

emisores de luz sobre superficies de plástico; con esta capacidad pueden dar lugar a pantallas

que se pueden enrollar y doblar.




Inconvenientes de los OLEDs

• La eficiencia lograda con este tipo de diodos orgánicos está muy lejos de la obtenida

con los semiconductores inorgánicos (LEDs convencionales), situándose en 2011 en

torno a los 60 lm/W en laboratorio.

• Actualmente, la tecnología OLED están en proceso de investigación, y los procesos de

fabricación son económicamente elevados, lo que constituye un obstáculo a la hora de

la implantación masiva de los OLEDs.

El principal inconveniente con el que se han encontrado los científicos es la alta

sensibilidad a la degradación en los procesos de fabricación de grandes superficies.

Este punto es fundamental para que la tecnología pueda competir definitivamente

contra las pantallas LCD y las de plasma.

A pesar de los problemas, en el futuro la fabricación de los diodos OLED promete ser

considerablemente más barata que los LEDs convencionales, siendo además posible

depositar gran cantidad de emisores sobre cualquier superficie, empleando técnicas de

pintado para crear pantallas de color.

• Los OLEDs son poco resistentes al agua, y ésta puede estropearlos permanentemente

con facilidad.

• Los componentes orgánicos empleados (moléculas y polímeros), son difíciles de

reciclar debido al elevado coste y a la utilización de técnicas complejas. Este hecho

puede causar impacto medioambiental negativo.

1.6.3.2. MicroLEDs

Los microLEDs (µLEDs) son una nueva generación de tecnología LED desarrollada

específicamente para ofrecer luz en aplicaciones en miniatura.

Para ello la superficie emisora de luz se reduce drásticamente a tan solo unas pocas

micras de diámetro y se recoge en un reflector parabólico que se emplea para concentrar toda

la luz generada por el chip semiconductor con lo que se elimina la necesidad de intervenir en el

funcionamiento con una óptica externa.

Las fuentes de luz son muy eficientes con más del 70% de la luz generada emergente

a través de la cara de un solo chip (sin encapsulado) y pueden producir luz visible para el ojo

humano con tan sólo nanoamperios lo que convierten a los µLEDs en uno de los indicadores

ópticos de más bajo consumo y que, teóricamente, podrían funcionar durante decenas de años

únicamente con una batería minúscula. Además la alta eficiencia permite que el calentamiento

generado por el cristal sea mínimo.




34

1.7. Eficiencia y parámetros de funcionamiento

Como hemos visto en el modo de funcionamiento de los LEDs el comportamiento ideal

consistiría en emitir al exterior un fotón por cada uno de los electrones que circulan por el

cristal.

Sin embargo existen varios procesos que limitan la eficiencia del dispositivo:

1. Los electrones y los huecos en los diodos se recombinan realmente de forma tanto

radiante como no radiante, y en los dispositivos reales este segundo tipo de

recombinaciones nunca puede ser eliminado totalmente.

2. Los fotones que se generan deben escapar del sustrato del diodo. De nuevo, en un

LED ideal todos los fotones deberían escapar del dispositivo hacia su espacio exterior.

En un sistema real algunos fotones nunca abandonan el semiconductor a causa de

mecanismos como, por ejemplo, las reabsorciones de las radiaciones por el mismo

sustrato.

Esta eficiencia de extracción es una de las mayores limitaciones para los LEDs de alto

rendimiento. Es complicado obtener valores de eficiencia por encima del 50% sin

recurrir a sistemas de producción complejos y costosos.

3. Como en todo componente electrónico se tiene también una eficiencia eléctrica que

define las pérdidas por las impedancias que se generan en los contactos y conexiones

eléctricas dentro del encapsulado del LED.

La gran mayoría de LEDs están diseñados para trabajar a una potencia de entre 30 y

60 milivatios. Fuera de este rango se encuentran los llamados LEDs de potencia, término con

el que se engloba a los diodos con un consumo superior o igual a 1 vatio. Estos emisores

tienen tamaños de pastilla semiconductora más grandes que los LEDs tradicionales para ser

capaces de trabajar con los mayores flujos de corriente y para poder disipar mejor el calor que

se genera.

Uno de los puntos fuertes de las aplicaciones basadas en LEDs es su alta eficiencia.

En febrero de 2006 el mejor LED alcanzaba los 55 lm/W, en marzo de 2007 se llegó a 67,2

lm/W y en junio de 2007 se alcanzaron los 99 lm/W. Los nuevos modelos que salieron en el

año 2009 alcanzaban ya los 150 lm/W con una corriente de polarización directa de 20 mA.

Los LEDs de potencia trabajan habitualmente con valores de corriente de 350

miliamperios (o múltiplos de este valor como: 700 mA, 1000 mA, 3000 mA, etc.) y sus

rendimientos están un poco por debajo de los LEDs de señalización, con valores en torno a los

130 y 140 lm/W, pero siguen una línea de evolución más rápida que los anteriores: algunos

modelos recién salidos al mercado alcanzan, al inicio de 2011, los 160 lm/W. Pruebas en

laboratorio alcanzan, ya en esta misma fecha, valores por encima de los 250 lm/W.




[1.28] Evolución y perspectiva de desarrollo de la eficiencia tecnología de los LEDs comparada con otr as

tecnologías convencionales de iluminación. Fuente: Cree Inc .

[1.29] Ejemplos de curvas características de funcio namiento a T j = 85 ºC. Modelo Cree Xlamp CXA2011.

Incandescencia

Fluorescencia de alta Eficiencia

Vapor de descarga

Máximo teórico de la iluminación LED Blanca (Fósfor o)

160 lm / W @2010

208 lm / W @2013

Fluorescencia compacta




36

Un aspecto muy criticado de la tecnología LED es el hecho de que muchos fabricantes

ofrecen las especificaciones técnicas de sus productos a una temperatura de trabajo del cristal

semiconductor de 25º C. Este hecho es común justo en el momento de encenderlo pero casi

imposible de mantener con el tiempo. Normalmente se ofrecían parámetros para estimar como

variaban las curvas de comportamiento con la temperatura. Sin embargo algún fabricante de

prestigio está ofreciendo ya la documentación técnica de sus LEDs caracterizados para Tj: de

25 ºC y de 85 ºC.

1.8. Desarrollo de modelos de vida útil de los LEDs

Debido a los tiempos de vida esperados tan elevados de los LEDs realizar pruebas

reales completas, a diferencia de las tecnologías tradicionales de iluminación, es impracticable.

Si se mantiene el dispositivo encendido permanentemente para testearlo las 50.000 horas que

se le esperan como mínimo llevaría más de 5,7 años. Este tiempo de vida, a la velocidad de

desarrollo actual, supondría que incluso el dispositivo más novedoso, tras este periodo de

tiempo, ya esté totalmente obsoleto. Del mismo modo, las pruebas de funcionamiento pulsante

o conmutado no son determinantes para la vida útil de un LED dado que este parámetro no

afecta a la vida útil de los mismos.

Los LEDs son dispositivos electrónicos y como tales tienen un comportamiento similar

al del resto de elementos de esta clase. Estos componentes, en sus múltiples campos de

aplicación, tienen modelos y pruebas de fiabilidad y de tiempos de vida muy desarrollados y

estandarizados. Con esta información la mayoría de fabricantes de LEDs utilizan

procedimientos similares o idénticos de medida de fiabilidad aplicables a los semiconductores

en general.

Normalmente, y mientras no se les someta a condiciones muy anormales de

funcionamiento, los LEDs no fallan de manera catastrófica sino que pierden luz de manera

gradual a lo largo de su tiempo de vida. Por este motivo surge la pregunta de determinar en

qué punto se debe considerar que la lámpara ya no puede seguir cumpliendo con su cometido.

Diversos estudios en ambientes de trabajo en oficinas han concluido que la mayoría de

usuarios consideraban la iluminación suficiente mientras se mantuviera dentro de un 70% de la

inicial. A partir de estos estudios, desde diversos organismos de los EE.UU. se han establecido

el 70% como criterio recomendable de vida útil de productos de iluminación general, al que se

le denomina L70. En los casos de iluminación decorativa este criterio se rebaja ligeramente

hasta el 50% de los lúmenes iniciales (L50)

La Asociación de Ingeniería de Iluminación (IES) de los EE.UU. publicó en 2008 la

normativa IES LM-80 con la que se pretendía caracterizar el proceso de degradación de un

LED. En ella se comprende un conjunto de pruebas bajo tres temperaturas de trabajo

diferentes que ofrece una cantidad muy alta de datos, muy detallados, pero que no incluye

ningún tipo de interpretación de los mismos. Esta normativa ha sido adoptada por los

fabricantes de LEDs más importantes para establecer sus datos de degradación.




Los datos recolectados del cristal semiconductor deben ser interpretados a través de

un modelo matemático para calcular la curva de degradación de un diodo. Inicialmente cada

fabricante utilizaba sus propios modelos para caracterizar sus productos.

En 2009 se publicó la ‘guía para fabricantes’ de la asociación Energy Star, que

establecía una serie de especificaciones mínimas a cumplir para clasificar los productos de

iluminación a nivel de consumo energético y de calidad de funcionamiento. A partir de estos

datos se genera una tabla de especificaciones para analizar el comportamiento del LED

estableciendo criterios de prueba como, por ejemplo, especificar un número mínimo de

muestras con los que realizar las medidas.

Para estandarizar los resultados, durante el año 2011, se esta terminando de

desarrollar la nueva normativa TM21 que pretende armonizar los cálculos a realizar para todos

los LEDs, sea cual sea su fabricante, para conocer cómo disminuye su flujo luminoso con el

tiempo de uso partiendo de los datos que se obtienen de la aplicación de las pruebas LM-80.

La normativa IES TM-21-2011 se esta desarrollando por el Departamento de Energía y

el Instituto de Estandarización Tecnológica de los EE.UU. y los 6 mayores fabricantes de LEDs

de potencia para iluminación (Nichia, Philips Luminled, Cree, Illumitex, GE y Osram)

+ =

[1.30] Metodología de cálculo de la vida útil de un LED.

Las caracterizaciones que ofrecen este tipo de tests se representan del modo:

Lxx(Y)

‘xx’ � Es el porcentaje de mantenimiento de luz

‘Y’ � Es el número de horas, en múltiplos de 1000, de datos usados

para realizar las predicciones.

Esta normativa debe reemplazar a la actual bajo el sello Energy Star (desarrollada

también por el departamento de energía de los EE.UU.)

De manera simplificada el comportamiento típico de un LED a partir LM-80 y TM-21 se

establece para un número de horas de pruebas definido a priorí y, según estos datos, se

extrapola el comportamiento en el tiempo.

Si se utilizan 6.000 horas de pruebas según el test LM-80.

De todos los datos obtenidos se desprecian los obtenidos durante las primeras

1.000 horas.

El modelo TM-21 va a permitir calcular el modelo de degradación del LED

hasta 6 veces el número de horas de los datos disponibles � 36.000 horas.


LM-80 Método de Test

TM-21 Modelo Matemático

Caracterización Práctica




38


5.000 horas, por lo que el modelo matemático se aplica a las 5.000 restantes.





9.000 horas.



[1.31] Ejemplo de cálculo de vida útil LM-80 + TM-2 1 del LED Luxeon Rebel LXML-PWx1.

Fuente: Phillips Lumiled .

1.9. Sistemas de control de los LEDs

La curva de funcionamiento de un LED que relaciona la tensión de polarización con la

corriente que circula por el diodo es del todo similar al del resto de semiconductores de este

tipo que no emiten luz. Si hacemos un análisis simplificado de su curva de trabajo, se puede

establecer que por debajo de cierta diferencia de potencial el cristal se comporta como un

circuito abierto y, por encima de ésta, se comporta como un cortocircuito oponiendo una

resistencia muy pequeña.




[1.32] Curva de comportamiento tensión - corriente eléctrica. Modelo: Cree MX-6. Fuente: Cree Inc .

Como el voltaje de operación de uno de estos LEDs está entre los 1,8 V hasta los 3,8

V, según el tipo de color, se solía afirmar que no era posible controlar un LED sin una

resistencia de polarización que limite la intensidad del circuito, ya que la intensidad que

circulará, al conectarlo con una fuente de alimentación genérica (de 5 V o valores más altos),

superará con seguridad el valor máximo para la que está diseñado, y por tanto se acabará

estropeando al poco tiempo de estar funcionando.

Para las aplicaciones en las que los diodos son simples indicadores de estado o de

funcionamiento, este sistema de control directo es suficiente y lo hace independiente de la

fuente de alimentación, dado que no se requiere ningún tipo de regulación de la intensidad

luminosa del LED. Si se quiere regular el nivel de brillo de los LEDs con este sistema sería

necesario realizar un control analógico de la corriente que no es flexible ni eficiente

energéticamente.

En aplicaciones donde se desea realizar un control independiente de multitud de LEDs,

como pantallas gigantes, sería extremadamente complejo hacer un control analógico de la

alimentación de cada componente.

La alta velocidad de respuesta de este tipo de dispositivos y la persistencia visual de la

retina del ojo humano hace que un sistema más efectivo y sencillo de control sea a través de la

generación de señales de pulso variable de la corriente nominal mantenida de manera

constante. Es posible que esta corriente sea mayor que la nominal siempre que no se

mantenga mucho tiempo en el LED.

[1.33] Señal digital PWM de control de un LED (a) y su analógica equivalente (b).

(a)

(b)




40

[1.34] Evolución de la curva de comportamiento tens ión - corriente eléctrica de un LED con la temperat ura.

En las aplicaciones de iluminación, en la mayoría de los casos, el control de los LEDs

no tiene carácter individualizado, sino global. Por lo que el principal obstáculo para el control de

la misma no es el de gestionar muchos parámetros de alimentación sino el de gestionar las

desviaciones de las curvas de comportamiento de los LEDs de la lámpara con la variación de la

térmica de los cristales. Esta curva se desplaza a la derecha al disminuir la temperatura y a la

izquierda si esta aumenta.

De este modo, si estamos alimentando nuestros diodos con una alimentación a tensión

constante, a medida que el LED funciona y genera calor su temperatura aumenta y la curva se

modifica. Esta modificación cambia el punto de trabajo, modificando la impedancia interna de

los LEDs, y permitiendo que pase más corriente por el cristal. Este aumento de la corriente

aumenta la potencia de trabajo y el calor generado en el mismo generando un proceso de

realimentación positiva que, si no se regula, sólo finaliza con la destrucción del LED.

[1.35] Evolución del comportamiento de un LED contr olado por tensión constante.




La solución a este problema se encuentra en la capacidad de reducir la corriente

equivalente que circula por el LED aplicando una señal PWM, que deberá tener un ancho de

pulso activo más pequeño a medida que la curva se va desplazando a la derecha.

Si alimentamos a corriente constante nuestro LED. La modificación de la curva por el

incremento térmico provoca que la tensión de polarización varíe. Esta variación debe ser

absorbida por la fuente de alimentación, lo que varía su modo de trabajo y la eficiencia de

trabajo.

Es un sistema más robusto que el anterior, que no origina, en principio un proceso

destructivo crítico, salvo que la fuente no entre en fallo originando valores de salida

descontrolados.

El inconveniente de este modo de trabajo es que no gestiona el calor generado, si no

se dispone de un sistema de evacuación muy eficiente del calor, o si este falla, la temperatura

de trabajo del sistema será muy alta y el tiempo de vida de la lámpara y si eficiencia se verán

drásticamente comprometidos.

[1.36] Evolución del comportamiento de un LED contr olado por corriente constante.

De este modo, el sistema más eficiente de control que garantiza una lámpara robusta y

eficiente, independientemente del sistema de alimentación seleccionado, debe contar con un

sistema de regulación térmico, que supervise este parámetro en la lámpara y que en función

del mismo regule la alimentación para evitar trabajar fuera de las zonas de diseño de la misma.

1.10. Puntos fuertes de los LEDs

Teniendo en cuenta criterios genéricos de la tecnología, independientemente de la

aplicación específica para la que están diseñados, vamos a exponer los atributos más

ventajosos que presentan como emisores de luz.

� Los LEDs alcanzan un mejor rendimiento de luminosidad por vatio que ningún otro

sistema tradicional de iluminación.




42

� Permiten emitir luz de un amplio rango colores con longitudes de onda muy bien

definidas sin la necesidad de utilizar filtros, incluso fuera del espectro visible. Esto

aumenta su eficiencia y reduce los costos de las aplicaciones que los utilizan.

� Permiten la regulación de su intensidad luminosa sin que varíe la longitud de onda del

color emitido. Se pueden adaptar a todo tipo de condiciones de iluminación.

� Son capaces de funcionar con altos ciclos de conmutación sin que se vea reducido su

tiempo de vida y con un tiempo de respuesta muy corto, lo que les permite llegar a su

brillo máximo en microsegundos.

� Son dispositivos de estado sólido, por lo que son muy resistentes a vibraciones e

impactos.

� El ciclo de vida de los LEDs es muy alto (≈ 100.000 horas). Es mucho mayor que la de

los tubos fluorescentes (≈ 10.000 horas) y las bombillas de incandescencia (≈ 2.000

horas).

� Los LEDs no suelen presentar un cese de funcionamiento brusco. Se considera el final

de su vida útil al alcanzar una degradación de su luminosidad superior a un

determinado umbral o una variación excesiva de las emisiones con respecto a la

longitud de onda nominal.

� El tamaño de los LEDs puede llegar a ser muy pequeño, lo que permite grandes

densidades de acoplamiento en placas de circuito impreso.

� Los LEDs son considerados productos ambientalmente amigables: Desde el punto de

vista de gestión de residuos, no contienen mercurio, plomo ni otros elementos

contaminantes (su tratamiento es más sencillo que el de los balastos y equipos auxiliares

de los sistemas actuales) y son productos de muy bajo consumo.

� La gran calidad de la luz emitida, próxima a la de la luz solar, podría permitir incluso la

prevención de trastornos afectivos estacionales y fomentar la productividad en el entorno

de trabajo.

� Al no emitir emisiones ultravioletas ni infrarrojas, son especialmente aptos para la

iluminación de obras de arte y de monumentos o de materiales delicados que podrían

deteriorarse debido a estas radiaciones.

� Las instalaciones basadas en LED tienen un coste de mantenimiento muy bajo, lo que

las hace especialmente aptas para instalarlas en lugares inaccesibles o en lugares

donde deban prestar un servicio continuado sin interferir con otros servicios por motivos

de mantenimiento. Además, como funcionan con corriente continua, se reducen los

riesgos durante su manipulación por descuido y son adecuados para lugares donde

existe gran afluencia de público, como centros comerciales, bares, discotecas, teatros,

etc.




� Son una alternativa tecnología con una base sólida y unas expectativas de futuro muy

grandes, en particular aquellas relacionadas con la eficiencia y con el ahorro

energético.

1.11. Puntos débiles de los LEDs

Las principales dificultades existentes para aplicar de forma masiva la tecnología LED

no son técnicas, sino económicas. Reducir los costes es el mayor reto al que se enfrentan los

desarrolladores de lámparas con tecnología LED. En la actualidad, los LEDs se fabrican con

materiales caros, como el carburo de silicio o el zafiro. Para hacer a esta tecnología más

competitiva, se están desarrollando diversos proyectos de investigación para sustituir los

materiales existentes por otros más económicos. Sin embargo los fabricantes de LEDs se

justifican argumentando que si se plantea una instalación nueva directamente con esta

tecnología los costes de la instalación son solo ligeramente superiores a los de una tecnología

convencional y el ahorro energético que se va a conseguir lo va a compensar en muy poco

tiempo.

Desde el punto de vista tecnológico los principales aspectos a vigilar en las

aplicaciones relacionadas con estos dispositivos:

� El rendimiento de los LEDs depende en gran parte de la temperatura ambiente de

trabajo en la que se encuentren. Trabajar con los LEDs en alto rendimiento con

temperaturas elevadas degrada considerablemente su vida útil. Es necesario generar

sistemas de refrigeración y caminos de disipación térmica para conseguir aplicaciones

duraderas.

� La luminosidad del LED depende de un correcto y preciso control de sus parámetros de

alimentación. Por tanto, necesitan controladores (drivers) complejos para su

funcionamiento.

� Los LEDs dirigen su radiación luminosa en una determinada dirección con un mayor o

menor ángulo de proyección, pero no existen aplicaciones en las que se emita la luz en

todas las direcciones como en los fluorescentes y las lámparas de incandescencia.

� A nivel del cristal de silicio todavía se obtiene una deficiente extracción de la luz.

Aunque ya son una fuente de luz muy eficiente, todavía queda un largo camino hasta que

los LED alcancen todo su potencial.

� Los LEDs no se pueden utilizar en aplicaciones donde se precise de un flujo luminoso

sin dispersiones laterales. Para este tipo de aplicaciones se debe utilizar la tecnología

láser.

� Los LEDs de iluminación de luz blanca emiten tanta potencia luminosa que pueden

producir deslumbramientos.

� La falta de estandarización y la inundación de productos de muy baja calidad con una

tasa de fallo destructivo muy alta, suponen dos grandes barreras a superar. El




44

desarrollo de una normativa técnica permitiría un mayor control sobre la calidad de los

productos y daría mayor seguridad a los usuarios finales que ven como se han

instalado productos que han fallado, no por defectos en la tecnología, sino por un

proceso de fabricación deficiente.

� Queda mucho por avanzar en cuanto a unificación de formatos de conexiones, lo que

en algunos casos dificulta el intercambio de soluciones diferentes y el mantenimiento

de las instalaciones, y se debe evolucionar en el desarrollo de luminarias específicas

para las necesidades propias de los LED lejos de las necesidades de reconducción de

la luz y optimizadas en la evacuación de calor.

1.12. Producción industrial

La producción de los LEDs, en sus inicios se concentró principalmente en los países

donde se impulsó su investigación y desarrollo: EE.UU y Japón. Sin embargo, esta tendencia

se rompió rápidamente en favor de países productores en el Asia continental. Hasta la segunda

mitad de la década de 1990 Japón era el máximo productor mundial de LEDs mientras que

Taiwán producía, tan sólo, poco más del 10% de la demanda global. Además, la mayoría de los

autodenominados productores de LEDs del segundo grupo descrito eran (y algunos de ellos

aun en día todavía lo son) únicamente ensambladores específicos de cristales

semiconductores en encapsulados de plástico procedentes de unas pocas empresas

americanas y japonesas.

Sin embargo, esta carrera iniciada por Taiwán, que arrancó su industria de fabricación

de LED en 1986 intentando cubrir todas las líneas de producción de alta, media y baja

capacidad, alcanzó un punto de inflexión en el año 2000 cuando, como país, se convirtió en el

mayor productor mundial de LED en cuanto a cantidades fabricadas y el segundo más grande

en valor de producción.

La producción mundial de LEDs en el año 2008 era de aproximadamente 4.000

millones de unidades al mes. Y por países, según el ITIS (Industrial Technology Information

Service) Taiwán produce alrededor de la mitad de la demanda del mundo con sus 30

fabricantes de LEDs. Los siguientes países productores, por volumen de fabricación, eran

Japón y los EE.UU. respectivamente.

Otra país a destacar como la segunda de las grandes potencias asiáticas en

producción de LEDs en el inicio del siglo XXI es Corea del Sur gracias al impulso de dos de sus

buques insignias industriales Samsung y LG. Ambos son gigantes de la producción de

teléfonos móviles, televisores TFT y multitud de otros dispositivos electrónicos donde el uso de

LEDs es masivo.

Sin embargo, en los últimos años esta tendencia se esta revirtiendo hacia un nuevo

tercer escenario, ahora en favor de China, cuya carrera por la primera posición como fabricante

mundial se espera que acabe en el primer cuatrimestre de 2012 aglutinando la mayor parte de

la producción de los cristales semiconductores LEDs del mundo. Ya a finales de 2010 (Según




estudios de mercado IMS Research) se encontraba en el 4º lugar con el 13% de la producción.

Pero gracias a las inversiones del gobierno chino en plantas de producción de LED se espera

que alcance el 32% al inicio de 2012.

Esta subida en la clasificación se debe, principalmente, a la política de acaparamiento

de compras de maquinaria específica de fabricación de materiales semiconductores. Por poner

un ejemplo, se estima que en 2011 China adquirirá el 64% de las instalaciones estimadas por

los dos mayores fabricantes de maquinaría de deposición de gases químicos de metales

orgánicos: Veeco Instruments y Aixtron. Este tipo de herramientas son fundamentales para la

producción masiva de LEDs de alta luminosidad.

El plan de subvenciones chino supone una operación de 1,8 millones de dólares por

maquina, del total de 2 o 2,5 millones de dólares que supone el coste total, a la vez que ofrecen

otras ventajas a los fabricantes de LEDs como excepciones fiscales o cesiones de terrenos de

forma gratuita.

En esta coyuntura no extraña que se este produciendo una migración o combinación de

plantas de producción desde suelo taiwanés o coreano hasta China para aprovecharse de los

beneficios de este plan de estímulos. Ya para mediados de 2010 se calculaba que al menos la

mitad de los 20 mayores productores de LED estarían generando sus productos dentro de la

nueva segunda economía mundial, aunque manteniendo sus sedes principales en sus países

de origen.

1.12.1. Fabricantes de LEDs

Según un estudio de la consultora Strategies Unlimited se ha podido realizar una

clasificación de los fabricantes de LEDs de alta luminosidad como producto acabado

considerando tanto LEDs convencionales como de iluminación de potencia en el año 2010.

Esta lista está encabezada por la empresa Nichia de Japón. Este país aporta a la lista

otras dos empresas: Sharp y Toyoda Gosei. El otro país que aporta 3 fabricantes es Corea:

Samsung LED, Seoul Semiconductor y LG Innotek. Los estados unidos están representados

por Philips Lumileds y Cree, mientras que Alemania y Taiwán tienen un representante cada

uno: Osram Opto y Everlight respectivamente.

Este estudio, realizado sobre algo más de 40 empresas a nivel mundial reconocidas

por su actividad en la producción de LEDs de alta luminosidad (> 100 mcd) y recoge los

beneficios en ventas de productos finales acabados con tecnología ‘InGaN’ y ‘InGaAIP’. Esta

clasificación no incluye ni a todos los fabricantes ni los beneficios obtenidos de las ventas de

cristales de silicio ni de chipLEDs o subsistemas, pero da una buena idea de cómo esta

configurado este sector industrial.

La competencia en el mercado global de LEDs se está intensificando con el rápido

crecimiento de la capacidad industrial de producción de estos artículos en Corea y Taiwán. Las




46

empresas de estos países están amenazando con alcanzar y sobrepasar los niveles de las

empresas japonesas.

Si queremos destacar que no se puede medir exclusivamente el potencial de las

empresas de este campo tecnológico por los niveles de ventas. Son importantes otros criterios

como la capacidad de desarrollo de nuevas tecnologías o la especialización en determinados

procesos productivos. Cree es una compañía que se puede englobar dentro de este último

grupo, y que se puede clasificar como la tercera o cuarta empresa en capacidad de producción

de chipLEDs aunque en términos de venta de diodos luminosos totalmente acabados no se

encuentre entre las empresas más punteras en el momento de realizar este estudio.

Clasificación 2010 Logo Nombre

1

Nichia

2

Samsung LED

3

Osram Opto Semiconductors

4

Philips Lumileds Lighting

4

Seoul Semiconductor

6

Cree

7

LG Innotek

8 Sharp

9

Everlight

10

Toyoda Gosei

[1.37] Clasificación de compañías por ventas de LED s de señalización en 2010.




Según un criterio de producción de LEDs de alta potencia para iluminación esta

clasificación sufre una fuerte variación. La producción de este tipo de productos esta sometida

en gran medida a los procesos de deposición de fósforo sobre el cristal semiconductores. Este

proceso esta controlado por un conjunto de patentes de la primera parte de la década de 1990,

una gran parte de ellas del fabricante japonés Nichia que controlan de tal manera esta

tecnología que se considera que es casi imposible comercializar un LED de iluminación en este

país. A nivel internacional estas patentes iniciaron una serie de juicios desde Nichia contra los

fabricantes: Osram, Philips, Toyoda y Cree. A través de presiones políticas se consiguió forzar

un acuerdo comercial entre estas empresas para evitar que el desarrollo de esta tecnología se

bloqueara. Este acuerdo ha permitido que OSRAM, Philips Nichia y Cree controlen la

producción mundial de productos generando los productos con mejores especificaciones.

Recientemente, en 2009, el fabricante Seoul Semicondutor también ha alcanzado acuerdos

con Nichia para la explotación de la tecnología.

[1.38] Fabricantes más importantes de LEDs de ilumi nación de potencia basados en fósforo en 2011.

Sin embargo se espera una gran revolución en el mercado en el momento en que estas

patentes dejen de tener vigencia tras 20 años desde su solicitud y concesión.

1.12.2. Previsiones globales de producción mundial

Conocer los valores exactos de producción mundial de estos dispositivos es una tarea

complicada debido a la amplia cantidad de fabricantes y ensambladores de cristales LEDs, y el

amplio rango de productos que se generan con ellos.

Varios informes de entidades dedicadas a la generación de estudios de mercados (IMS

Research y Digitime Research) afirman que el número total de LEDs vendidos en 2009 superó

la cifra de las 70.8 billones de unidades. De todos ellos se estima que:

• La principal aplicación es la de telefonía móvil, que acapara más del 35 % del total de

la producción.




48

• Un 15% se han utilizado para pantallas gigantes de video.

• Sobre un 11% del total se han utilizado como fuente de luz para televisores TFT-LCD.

Se puede ver como en el campo de la luz de respaldo la telefonía móvil ha sido

tradicionalmente el primer gran cliente de este producto aunque en el 2010 dejo de serlo

debido a la guerra de precios de este tipo de dispositivos. Esta tendencia ha provocado que,

aunque en términos globales las unidades destinadas a este tipo de equipos siguen creciendo,

los beneficios que se obtiene de ellos son claramente descendentes. Y los principales puntos

de atracción de los fabricantes son ahora las pantallas de ordenadores y televisores.

[1.39] Aplicaciones de LEDs en telefonía móvil.

Las pantallas de video gigantes y la iluminación de respaldo de pantallas TFT-LCD

para televisores y ordenadores son las dos aplicaciones en auge que han destronado a los

móviles. Se prevé, según estimaciones para el año 2012, que usarán un 32,7 % del total de los

167 billones de unidades que se producirán: 24 billones para pantallas gigantes de exteriores y

34 billones para retroiluminación para pantallas. Los beneficios calculados de las ventas de

LEDs alcanzaron el billón de dólares en 2009 y que ascenderá hasta 1,5 billones en 2012.

Sin embargo, estudios que lanzan la vista un poco más lejos en el futuro estiman que:

• Los beneficios de venta de LEDs de PCs portátiles van a descender a partir de 2011.

• La saturación del mercado de los televisores con retroiluminación LED provocará que

se alcance su pico de beneficio en 2013.

Por tanto, a partir de este año 2013 se espera que las aplicaciones de iluminación general

ocupen el lugar de la aplicación preferente de esta tecnología. Algunos estudios (Pike

Research, Mayo 2010) estiman que en el año 2020 algo menos del 50% de un negocio de 4,4

billones de dólares americanos anuales esté orientado a esta aplicación.

2013 2012 2011 2010 2009 2008

Varios 9,1 % 9,0 % 7,8 % 12,0 % 14,8 % 15,1 %

Iluminación 23,5 % 18,3 % 13,8 % 7,0 % 4,2 % 3,3 %

Automoción 5,5 % 5,8 % 6,9 % 9,4 % 11,8 % 13,2 %

Pantallas Gigantes

10,9 %

12,0 %

14,4 %

16,2 %

18,4 %

20,7 %

Retroiluminación TFT

37,3 %

39,0 %

35,2 %

28,0 %

14,6 %

2,1 %

Telefonía Móvil 13,7 % 15,9 % 21,9 % 27,4 % 36,1 % 45,5 %

Tabla 1.5. Distribución de uso por aplicaciones de LEDs de alta luminosidad. Fuente: Digitime Research .

1 Diodos Emisores de Luz

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