El mercado mundial de la iluminación ha experimentado una transformación radical impulsada por la adopción cada vez mayor de la tecnología de diodos emisores de luz (LED). Esta revolución de la iluminación de estado sólido (SSL) alteró fundamentalmente la economía subyacente del mercado y la dinámica de la industria. La tecnología SSL no solo permitió diferentes formas de productividad, sino que la transición de las tecnologías convencionales a la iluminación LED también está cambiando profundamente la forma en que las personas piensan sobre la iluminación. Las tecnologías de iluminación convencionales se diseñaron principalmente para abordar las necesidades visuales. Con la iluminación LED, la estimulación positiva de los efectos biológicos de la luz en la salud y el bienestar de las personas está llamando cada vez más la atención. La llegada de la tecnología LED también allanó el camino para la convergencia entre la iluminación y el Internet de las Cosas (IoT), que abre todo un nuevo mundo de posibilidades. Al principio, ha habido mucha confusión sobre la iluminación LED. El alto crecimiento del mercado y el gran interés de los consumidores crean una necesidad apremiante de aclarar las dudas que rodean a la tecnología e informar al público de sus ventajas y desventajas.
¿Cómo funcionan los LED?
Un LED es un paquete de semiconductores que comprende una matriz LED (chip) y otros componentes que brindan soporte mecánico, conexión eléctrica, conducción térmica, regulación óptica y conversión de longitud de onda. El chip LED es básicamente un dispositivo de unión pn formado por capas de semiconductores compuestos dopados de manera opuesta. El semiconductor compuesto de uso común es el nitruro de galio (GaN), que tiene una banda prohibida directa que permite una mayor probabilidad de recombinación radiativa que los semiconductores con una banda prohibida indirecta. Cuando la unión pn está polarizada hacia adelante, los electrones de la banda de conducción de la capa de semiconductor tipo n se mueven a través de la capa límite hacia la unión p y se recombinan con los huecos de la banda de valencia de la capa de semiconductor tipo p en la unión. región activa del diodo. La recombinación electrón-hueco hace que los electrones caigan en un estado de menor energía y liberen el exceso de energía en forma de fotones (paquetes de luz). Este efecto se llama electroluminiscencia. El fotón puede transportar radiación electromagnética de todas las longitudes de onda. Las longitudes de onda exactas de la luz emitida por el diodo están determinadas por la brecha de banda de energía del semiconductor.
La luz generada a través de la electroluminiscencia en el chip LED tiene una distribución de longitud de onda estrecha con un ancho de banda típico de unas pocas decenas de nanómetros. Las emisiones de banda estrecha dan como resultado que la luz tenga un solo color, como rojo, azul o verde. Para proporcionar una fuente de luz blanca de amplio espectro, se debe ampliar el ancho de la distribución de potencia espectral (SPD) del chip LED. La electroluminiscencia del chip LED se convierte parcial o completamente a través de la fotoluminiscencia en fósforos. La mayoría de los LED blancos combinan la emisión de longitud de onda corta de los chips azules InGaN y la luz de longitud de onda más larga reemitida de los fósforos. El polvo de fósforo se dispersa en una matriz de silicona, epoxi u otras matrices de resina. La matriz que contiene fósforo se recubre sobre el chip LED. La luz blanca también se puede producir bombeando fósforos rojos, verdes y azules utilizando un chip LED ultravioleta (UV) o violeta. En este caso, el blanco resultante puede lograr una reproducción cromática superior. Pero este enfoque adolece de una baja eficiencia porque el gran cambio de longitud de onda involucrado en la conversión descendente de la luz UV o violeta se acompaña de una alta pérdida de energía de Stokes.
Ventajas de la iluminación LED
La invención de las lámparas incandescentes hace más de un siglo revolucionó la iluminación artificial. En la actualidad, estamos presenciando la revolución de la iluminación digital habilitada por SSL. La iluminación basada en semiconductores no solo ofrece un diseño, rendimiento y beneficios económicos sin precedentes, sino que también permite una plétora de nuevas aplicaciones y propuestas de valor que antes se consideraban poco prácticas. El rendimiento de la cosecha de estas ventajas superará con creces el costo inicial relativamente alto de instalar un sistema LED, sobre el cual todavía hay algunas dudas en el mercado.
1. Eficiencia energética
Una de las principales justificaciones para migrar a la iluminación LED es la eficiencia energética. Durante la última década, las eficacias luminosas de los paquetes de LED blancos convertidos con fósforo han aumentado de 85 lm/W a más de 200 lm/W, lo que representa una eficiencia de conversión de energía eléctrica a óptica (PCE) de más del 60 %, con una corriente de funcionamiento estándar. densidad de 35 A/cm2. A pesar de las mejoras en la eficiencia de los LED azules de InGaN, los fósforos (la eficiencia y la longitud de onda coinciden con la respuesta del ojo humano) y el paquete (dispersión/absorción óptica), el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) dice que queda más margen para PC-LED Las mejoras de eficacia y eficacias luminosas de aproximadamente 255 lm/W deberían ser prácticamente posibles para los LED de bomba azul. Las altas eficacias luminosas son, sin duda, una ventaja abrumadora de los LED sobre las fuentes de luz tradicionales: incandescentes (hasta 20 lm/W), halógenas (hasta 22 lm/W), fluorescentes lineales (65-104 lm/W), fluorescentes compactas (46-87 lm/W), fluorescente de inducción (70-90 lm/W), vapor de mercurio (60-60 lm/W), sodio de alta presión (70-140 lm/W) , halogenuros metálicos de cuarzo (64-110 lm/W) y halogenuros metálicos cerámicos (80-120 lm/W).
2. Eficiencia de entrega óptica
Más allá de las mejoras significativas en la eficacia de la fuente de luz, la capacidad de lograr una alta eficiencia óptica de luminarias con iluminación LED es menos conocida por los consumidores en general, pero muy deseada por los diseñadores de iluminación. La entrega efectiva de la luz emitida por las fuentes de luz al objetivo ha sido un gran desafío de diseño en la industria. Las lámparas tradicionales en forma de bombilla emiten luz en todas las direcciones. Esto hace que gran parte del flujo luminoso producido por la lámpara quede atrapado dentro de la luminaria (p. ej., por los reflectores, difusores) o escape de la luminaria en una dirección que no es útil para la aplicación prevista o simplemente ofensivo a la vista. Las luminarias HID, como las de halogenuros metálicos y las de sodio a alta presión, por lo general tienen una eficiencia del 60 al 85 por ciento para dirigir la luz producida por la lámpara hacia afuera de la luminaria. No es raro que las luces empotradas y los troffers que usan fuentes de luz fluorescente o halógena experimenten pérdidas ópticas del 40-50 por ciento. La naturaleza direccional de la iluminación LED permite una entrega efectiva de la luz, y el factor de forma compacto de los LED permite una regulación eficiente del flujo luminoso utilizando lentes compuestas. Los sistemas de iluminación LED bien diseñados pueden ofrecer una eficiencia óptica superior al 90 por ciento.
3. Uniformidad de iluminación
La iluminación uniforme es una de las principales prioridades en los diseños de iluminación ambiental interior y exterior/carretera. La uniformidad es una medida de las relaciones de la iluminancia sobre un área. Una buena iluminación debe garantizar una distribución uniforme de los lúmenes incidentes sobre una superficie o área de trabajo. Las diferencias de luminancia extremas resultantes de una iluminación no uniforme pueden provocar fatiga visual, afectar el rendimiento de la tarea e incluso presentar un problema de seguridad, ya que el ojo necesita adaptarse entre superficies de diferente luminancia. Las transiciones de un área brillantemente iluminada a una de luminancia muy diferente provocarán una pérdida transitoria de la agudeza visual, lo que tiene grandes implicaciones de seguridad en aplicaciones al aire libre donde hay tráfico de vehículos. En grandes instalaciones interiores, la iluminación uniforme contribuye a un alto confort visual, permite flexibilidad en la ubicación de las tareas y elimina la necesidad de reubicar las luminarias. Esto puede ser particularmente beneficioso en instalaciones comerciales e industriales de gran altura donde el movimiento de las luminarias involucra costos e inconvenientes considerables. Las luminarias que usan lámparas HID tienen una iluminancia mucho más alta directamente debajo de la luminaria que las áreas más alejadas de la luminaria. Esto da como resultado una uniformidad deficiente (relación máx./mín. típica de 6:1). Los diseñadores de iluminación deben aumentar la densidad de las luminarias para garantizar que la uniformidad de la iluminación cumpla con los requisitos mínimos de diseño. Por el contrario, una gran superficie emisora de luz (LES) creada a partir de una matriz de LED de tamaño pequeño produce una distribución de luz con una uniformidad de menos de 3:1 de relación máx./mín., lo que se traduce en mejores condiciones visuales, así como en un número significativamente reducido. de instalaciones sobre el área de trabajo.
4. Iluminación direccional
Debido a su patrón de emisión direccional y alta densidad de flujo, los LED son inherentemente adecuados para la iluminación direccional. Una luminaria direccional concentra la luz emitida por la fuente de luz en un haz dirigido que viaja sin interrupciones desde la luminaria hasta el área objetivo. Los haces de luz estrechamente enfocados se utilizan para crear una jerarquía de importancia mediante el uso del contraste, para hacer que las características seleccionadas sobresalgan del fondo y para agregar interés y atractivo emocional a un objeto. Las luminarias direccionales, incluidos los proyectores y los reflectores, se utilizan ampliamente en aplicaciones de iluminación de acento para realzar la prominencia o resaltar un elemento de diseño. La iluminación direccional también se emplea en aplicaciones donde se necesita un haz intenso para ayudar a realizar tareas visuales exigentes o para proporcionar iluminación de largo alcance. Los productos que sirven para este propósito incluyen linternas, reflectores, focos de seguimiento, luces de conducción de vehículos, reflectores de estadios, etc. LED COB o para lanzar un haz largo en la distancia con LED de alta potencia.
5. Ingeniería espectral
La tecnología LED ofrece la nueva capacidad de controlar la distribución de energía espectral (SPD) de la fuente de luz, lo que significa que la composición de la luz se puede adaptar para diversas aplicaciones. La controlabilidad espectral permite que el espectro de los productos de iluminación se diseñe para involucrar respuestas específicas visuales, fisiológicas, psicológicas, de fotorreceptores de plantas o incluso de detectores de semiconductores (es decir, cámaras HD) humanas, o una combinación de tales respuestas. Se puede lograr una alta eficiencia espectral mediante la maximización de las longitudes de onda deseadas y la eliminación o reducción de porciones dañinas o innecesarias del espectro para una aplicación determinada. En aplicaciones de luz blanca, el SPD de los LED se puede optimizar para la fidelidad de color prescrita y la temperatura de color correlacionada (CCT). Con un diseño multicanal y multiemisor, el color producido por la luminaria LED se puede controlar de forma activa y precisa. Los sistemas de mezcla de colores RGB, RGBA o RGBW que son capaces de producir un espectro completo de luz crean infinitas posibilidades estéticas para diseñadores y arquitectos. Los sistemas de blanco dinámico utilizan LED multi-CCT para proporcionar una atenuación cálida que imita las características de color de las lámparas incandescentes cuando se atenúan, o para proporcionar una iluminación blanca sintonizable que permite un control independiente de la temperatura del color y la intensidad de la luz. La iluminación centrada en el ser humano basada en la tecnología LED blanca sintonizable es uno de los impulsos detrás de gran parte de los últimos desarrollos tecnológicos de iluminación.
6. Encendido/apagado
Los LED se encienden con brillo completo casi instantáneamente (de un solo dígito a decenas de nanosegundos) y tienen un tiempo de apagado de decenas de nanosegundos. Por el contrario, el tiempo de calentamiento, o el tiempo que tarda la bombilla en alcanzar su máxima potencia lumínica, de las lámparas fluorescentes compactas puede durar hasta 3 minutos. Las lámparas HID requieren un período de calentamiento de varios minutos antes de proporcionar luz utilizable. El reencendido en caliente es una preocupación mucho mayor que la puesta en marcha inicial de las lámparas de halogenuros metálicos, que alguna vez fueron la tecnología principal empleada para la iluminación de bahías altas y la iluminación con focos de alta potencia en instalaciones industriales, estadios y arenas. Un corte de energía en una instalación con iluminación de halogenuros metálicos puede comprometer la seguridad porque el proceso de reencendido en caliente de las lámparas de halogenuros metálicos demora hasta 20 minutos. El encendido instantáneo y el reencendido en caliente colocan los LED en una posición única para realizar muchas tareas de manera efectiva. No solo las aplicaciones de iluminación general se benefician enormemente del corto tiempo de respuesta de los LED, una amplia gama de aplicaciones especializadas también están aprovechando esta capacidad. Por ejemplo, las luces LED pueden funcionar en sincronización con las cámaras de tráfico para proporcionar iluminación intermitente para capturar vehículos en movimiento. Los LED se encienden entre 140 y 200 milisegundos más rápido que las lámparas incandescentes. La ventaja del tiempo de reacción sugiere que las luces de freno LED son más efectivas que las luces incandescentes para prevenir colisiones de impacto trasero. Otra ventaja de los LED en la operación de conmutación es el ciclo de conmutación. La vida útil de los LED no se ve afectada por el cambio frecuente. Los controladores LED típicos para aplicaciones de iluminación general están clasificados para 50,000 ciclos de conmutación, y es poco común que los controladores LED de alto rendimiento soporten 100,000, 200,000 o incluso 1 millón ciclos de conmutación. La vida útil del LED no se ve afectada por ciclos rápidos (conmutación de alta frecuencia). Esta característica hace que las luces LED sean muy adecuadas para la iluminación dinámica y para su uso con controles de iluminación, como sensores de ocupación o luz diurna. Por otro lado, el encendido/apagado frecuente puede acortar la vida útil de las lámparas incandescentes, HID y fluorescentes. Estas fuentes de luz generalmente tienen solo unos pocos miles de ciclos de encendido durante su vida nominal.
7. Capacidad de atenuación
La capacidad de producir una salida de luz de una manera muy dinámica hace que los LED se adapten perfectamente al control de atenuación, mientras que las lámparas fluorescentes y HID no responden bien a la atenuación. La atenuación de las lámparas fluorescentes requiere el uso de circuitos costosos, grandes y complejos para mantener las condiciones de voltaje y excitación del gas. La atenuación de las lámparas HID conducirá a una vida más corta y a una falla prematura de la lámpara. Las lámparas de halogenuros metálicos y de sodio de alta presión no se pueden atenuar por debajo del 50 por ciento de la potencia nominal. También responden a las señales de atenuación sustancialmente más lento que los LED. La atenuación de LED se puede realizar a través de la reducción de corriente constante (CCR), que se conoce mejor como atenuación analógica, o aplicando modulación de ancho de pulso (PWM) al LED, también conocida como atenuación digital. La atenuación analógica controla la corriente de accionamiento que fluye a través de los LED. Esta es la solución de atenuación más utilizada para aplicaciones de iluminación general, aunque es posible que los LED no funcionen bien con corrientes muy bajas (por debajo del 10 por ciento). La atenuación PWM varía el ciclo de trabajo de la modulación de ancho de pulso para crear un valor promedio en su salida en un rango completo de 100 por ciento a 0 por ciento. El control de atenuación de los LED permite alinear la iluminación con las necesidades humanas, maximizar el ahorro de energía, permitir la mezcla de colores y el ajuste de CCT, y prolongar la vida útil del LED.
8. Controlabilidad
La naturaleza digital de los LED facilita la integración perfecta de sensores, procesadores, controladores e interfaces de red en los sistemas de iluminación para implementar diversas estrategias de iluminación inteligente, desde iluminación dinámica e iluminación adaptativa hasta lo que IoT traiga a continuación. El aspecto dinámico de la iluminación LED varía desde un simple cambio de color hasta intrincados espectáculos de luces a través de cientos o miles de nodos de iluminación controlables individualmente y una traducción compleja de contenido de video para mostrar en sistemas de matriz LED. La tecnología SSL se encuentra en el corazón de un gran ecosistema de soluciones de iluminación conectadas que pueden aprovechar la captación de luz natural, la detección de ocupación, el control de tiempo, la programabilidad integrada y los dispositivos conectados a la red para controlar, automatizar y optimizar varios aspectos de la iluminación. La migración del control de iluminación a redes basadas en IP permite que los sistemas de iluminación inteligentes cargados de sensores interoperen con otros dispositivos dentro de las redes de IoT. Esto abre posibilidades para crear una amplia gama de nuevos servicios, beneficios, funcionalidades y flujos de ingresos que mejoran el valor de los sistemas de iluminación LED. El control de los sistemas de iluminación LED se puede implementar utilizando una variedad de protocolos de comunicación inalámbricos y por cable, incluidos protocolos de control de iluminación como 0-10V, DALI, DMX512 y DMX-RDM, protocolos de automatización de edificios como BACnet, LON, KNX y EnOcean, y protocolos implementados en la arquitectura de malla cada vez más popular (por ejemplo, ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Mesh, Thread).
9. Flexibilidad de diseño
El pequeño tamaño de los LED permite a los diseñadores de luminarias convertir las fuentes de luz en formas y tamaños adecuados para muchas aplicaciones. Esta característica física otorga a los diseñadores más libertad para expresar su filosofía de diseño o para componer identidades de marca. La flexibilidad resultante de la integración directa de las fuentes de luz ofrece posibilidades para crear productos de iluminación que llevan una fusión perfecta entre forma y función. Los accesorios de iluminación LED se pueden fabricar para desdibujar los límites entre el diseño y el arte para aplicaciones en las que se ordena un punto focal decorativo. También se pueden diseñar para admitir un alto nivel de integración arquitectónica y combinarse en cualquier composición de diseño. La iluminación de estado sólido también impulsa nuevas tendencias de diseño en otros sectores. Las posibilidades de estilo únicas permiten a los fabricantes de vehículos diseñar faros y luces traseras distintivos que dan a los automóviles un aspecto atractivo.
10. Durabilidad
Un LED emite luz desde un bloque de semiconductor, en lugar de una bombilla o tubo de vidrio, como es el caso de las lámparas incandescentes, halógenas, fluorescentes y HID heredadas que utilizan filamentos o gases para generar luz. Los dispositivos de estado sólido generalmente se montan en una placa de circuito impreso de núcleo metálico (MCPCB), con una conexión que generalmente se proporciona mediante cables soldados. Sin vidrio frágil, sin partes móviles y sin rotura de filamento, los sistemas de iluminación LED son, por lo tanto, extremadamente resistentes a los golpes, las vibraciones y el desgaste. La durabilidad de estado sólido de los sistemas de iluminación LED tiene valores evidentes en una variedad de aplicaciones. Dentro de una instalación industrial, hay lugares donde las luces sufren vibraciones excesivas de maquinaria grande. Las luminarias instaladas a lo largo de carreteras y túneles deben soportar vibraciones repetidas causadas por vehículos pesados que pasan a alta velocidad. La vibración constituye la jornada laboral típica de las luces de trabajo montadas en vehículos, maquinaria y equipos de construcción, minería y agricultura. Las luminarias portátiles, como las linternas y las lámparas de camping, a menudo están sujetas al impacto de las caídas. También hay muchas aplicaciones en las que las lámparas rotas presentan un peligro para los ocupantes. Todos estos desafíos exigen una solución de iluminación robusta, que es exactamente lo que puede ofrecer la iluminación de estado sólido.
11. Vida del producto
La larga vida útil se destaca como una de las principales ventajas de la iluminación LED, pero las afirmaciones de larga vida basadas únicamente en la métrica de vida útil del paquete LED (fuente de luz) pueden ser engañosas. La vida útil de un paquete LED, una lámpara LED o una luminaria LED (dispositivos de iluminación) a menudo se cita como el punto en el tiempo en el que la salida de flujo luminoso ha disminuido al 70 por ciento de su salida inicial, o L70. Por lo general, los LED (paquetes de LED) tienen una vida útil L70 de entre 30,000 y 100,000 horas (a Ta=85 grados). Sin embargo, las mediciones de LM-80 que se utilizan para predecir la vida útil L70 de los paquetes de LED mediante el método TM-21 se toman con los paquetes de LED funcionando continuamente en condiciones de funcionamiento bien controladas (p. ej., en un entorno de temperatura controlada). y alimentado con una corriente de accionamiento de CC constante). Por el contrario, los sistemas LED en aplicaciones del mundo real a menudo enfrentan el desafío de una sobrecarga eléctrica más alta, temperaturas de unión más altas y condiciones ambientales más duras. Los sistemas LED pueden experimentar un mantenimiento de la luz acelerado o fallas prematuras. En general, las lámparas LED (bombillas, tubos) tienen una vida útil L70 entre 10,000 y 25,000 horas, las luminarias LED integradas (p. 000 horas y 60,000 horas. En comparación con los productos de iluminación tradicionales: incandescentes (750-2,000 horas), halógenas (3,000-4,000 horas), fluorescentes compactas (8,000-10 ,000 horas) y halogenuros metálicos (7,500-25,000 horas), los sistemas LED, en particular las luminarias integradas, proporcionan una vida útil sustancialmente más larga. Dado que las luces LED prácticamente no requieren mantenimiento, los costos de mantenimiento reducidos junto con los altos ahorros de energía por el uso de luces LED durante su vida útil prolongada brindan la base para un alto retorno de la inversión (ROI).
12. Seguridad fotobiológica
Los LED son fuentes de luz fotobiológicamente seguras. No producen emisión infrarroja (IR) y emiten una cantidad insignificante de luz ultravioleta (UV) (menos de 5 uW/lm). Las lámparas incandescentes, fluorescentes y de halogenuros metálicos convierten el 73 %, el 37 % y el 17 % de la energía consumida en energía infrarroja, respectivamente. También emiten en la región ultravioleta del espectro electromagnético: incandescentes (70-80 uW/lm), fluorescentes compactas (30-100 uW/lm) y halogenuros metálicos (160-700 uW/lm) . A una intensidad lo suficientemente alta, las fuentes de luz que emiten luz UV o IR pueden presentar riesgos fotobiológicos para la piel y los ojos. La exposición a la radiación ultravioleta puede causar cataratas (opacidad del cristalino normalmente transparente) o fotoqueratitis (inflamación de la córnea). La exposición de corta duración a altos niveles de radiación IR puede causar lesiones térmicas en la retina del ojo. La exposición a largo plazo a altas dosis de radiación infrarroja puede inducir la catarata del soplador de vidrio. La incomodidad térmica causada por el sistema de iluminación incandescente ha sido durante mucho tiempo una molestia en la industria de la salud, ya que las luces para tareas quirúrgicas convencionales y las luces para operaciones dentales utilizan fuentes de luz incandescente para producir luz con alta fidelidad de color. El haz de alta intensidad producido por estas luminarias entrega una gran cantidad de energía térmica que puede hacer que los pacientes se sientan muy incómodos.
Inevitablemente, la discusión sobre la seguridad fotobiológica a menudo se centra en el peligro de la luz azul, que se refiere a un daño fotoquímico de la retina como resultado de la exposición a la radiación en longitudes de onda principalmente entre 400 nm y 500 nm. Una idea errónea común es que es más probable que los LED causen un peligro de luz azul porque la mayoría de los LED blancos convertidos con fósforo utilizan una bomba de LED azul. DOE e IES han dejado en claro que los productos LED no son diferentes de otras fuentes de luz que tienen la misma temperatura de color con respecto al peligro de la luz azul. Los LED convertidos con fósforo no presentan tal riesgo incluso bajo estrictos criterios de evaluación.
13. Efecto de radiación
Los LED producen energía radiante solo dentro de la porción visible del espectro electromagnético de aproximadamente 400 nm a 700 nm. Esta característica espectral le da a las luces LED una valiosa ventaja de aplicación sobre las fuentes de luz que producen energía radiante fuera del espectro de luz visible. La radiación UV e IR de las fuentes de luz tradicionales no solo plantea riesgos fotobiológicos, sino que también conduce a la degradación del material. La radiación ultravioleta es extremadamente dañina para los materiales orgánicos, ya que la energía fotónica de la radiación en la banda espectral ultravioleta es lo suficientemente alta como para producir rutas directas de escisión de enlace y fotooxidación. La alteración o destrucción resultante del cromóforo puede provocar el deterioro y la decoloración del material. Las aplicaciones de los museos requieren que todas las fuentes de luz que generan UV en exceso de 75 uW/lm sean filtradas para minimizar el daño irreversible a las obras de arte. IR no induce el mismo tipo de daño fotoquímico causado por la radiación UV, pero aún puede contribuir al daño. El aumento de la temperatura de la superficie de un objeto puede provocar una actividad química acelerada y cambios físicos. La radiación IR de alta intensidad puede provocar el endurecimiento de la superficie, la decoloración y el agrietamiento de las pinturas, el deterioro de los productos cosméticos, la desecación de frutas y verduras, el derretimiento del chocolate y la confitería, etc.
14. Seguridad contra incendios y explosiones
Los riesgos de exposición e incendio no son una característica de los sistemas de iluminación LED, ya que un LED convierte la energía eléctrica en radiación electromagnética a través de la electroluminiscencia dentro de un paquete de semiconductores. Esto contrasta con las tecnologías heredadas que producen luz calentando filamentos de tungsteno o excitando un medio gaseoso. Una falla o una operación incorrecta puede provocar un incendio o una explosión. Las lámparas de halogenuros metálicos son especialmente propensas al riesgo de explosión porque el tubo de arco de cuarzo funciona a alta presión (520 a 3100 kPa) y temperatura muy alta (900 a 1100 grados). Las fallas del tubo de arco no pasivo causadas por las condiciones de fin de vida útil de la lámpara, por fallas en el balasto o por el uso de una combinación inadecuada de lámpara y balasto pueden provocar la rotura del bulbo exterior de la lámpara de halogenuros metálicos. Los fragmentos de cuarzo calientes pueden encender materiales inflamables, polvos combustibles o gases/vapores explosivos.
15. Comunicación de luz visible (VLC)
Los LED se pueden encender y apagar a una frecuencia más rápida de lo que el ojo humano puede detectar. Esta capacidad de encendido/apagado invisible abre una nueva aplicación para los productos de iluminación. La tecnología LiFi (Light Fidelity) ha recibido una atención considerable en la industria de las comunicaciones inalámbricas. Aprovecha las secuencias de LED "ENCENDIDO" y "APAGADO" para transmitir datos. En comparación con las tecnologías de comunicación inalámbrica actuales que utilizan ondas de radio (por ejemplo, Wi-Fi, IrDA y Bluetooth), LiFi promete un ancho de banda mil veces más amplio y una velocidad de transmisión significativamente mayor. LiFi se considera una aplicación IoT atractiva debido a la ubicuidad de la iluminación. Cada luz LED se puede utilizar como un punto de acceso óptico para la comunicación inalámbrica de datos, siempre que su controlador sea capaz de transformar el contenido de transmisión en señales digitales.
16. Iluminación CC
Los LED son dispositivos de bajo voltaje que funcionan con corriente. Esta naturaleza permite que la iluminación LED aproveche las redes de distribución de corriente continua (CC) de bajo voltaje. Hay un interés creciente en los sistemas de microrredes de CC que pueden operar de forma independiente o en conjunto con una red de servicios públicos estándar. Estas redes eléctricas de pequeña escala proporcionan interfaces mejoradas con generadores de energía renovable (solar, eólica, celda de combustible, etc.). La energía de CC disponible localmente elimina la necesidad de conversión de energía de CA a CC a nivel de equipo, lo que implica una pérdida de energía sustancial y es un punto común de falla en los sistemas LED alimentados por CA. La iluminación LED de alta eficiencia mejora a su vez la autonomía de las baterías recargables o los sistemas de almacenamiento de energía. A medida que la comunicación de red basada en IP cobra impulso, Power over Ethernet (PoE) surgió como una opción de microrred de baja potencia para entregar energía de CC de bajo voltaje a través del mismo cable que entrega los datos de Ethernet. La iluminación LED tiene claras ventajas para aprovechar las fortalezas de una instalación PoE.
17. Operación a temperatura fría
La iluminación LED sobresale en ambientes de temperatura fría. Un LED convierte la energía eléctrica en energía óptica a través de la electroluminiscencia de inyección que se activa cuando el diodo semiconductor está polarizado eléctricamente. Este proceso de puesta en marcha no depende de la temperatura. La temperatura ambiente baja facilita la disipación del calor residual generado por los LED y, por lo tanto, los exime de la caída térmica (reducción de la potencia óptica a temperaturas elevadas). Por el contrario, el funcionamiento a baja temperatura es un gran desafío para las lámparas fluorescentes. Para encender la lámpara fluorescente en un ambiente frío, se necesita un alto voltaje para iniciar el arco eléctrico. Las lámparas fluorescentes también pierden una cantidad sustancial de su salida de luz nominal a temperaturas bajo cero, mientras que las luces LED funcionan mejor en ambientes fríos, incluso hasta -50 grados. Por lo tanto, las luces LED son ideales para su uso en congeladores, refrigeradores, instalaciones de almacenamiento en frío y aplicaciones al aire libre.
18. Impacto ambiental
Las luces LED producen un impacto ambiental notablemente menor que las fuentes de iluminación tradicionales. El bajo consumo de energía se traduce en bajas emisiones de carbono. Los LED no contienen mercurio y, por lo tanto, crean menos complicaciones ambientales al final de su vida útil. En comparación, la eliminación de lámparas HID y fluorescentes que contienen mercurio implica el uso de estrictos protocolos de eliminación de desechos.
Desventajas y desafíos de la iluminación LED
No se entusiasme con la gran cantidad de beneficios que ofrece la iluminación LED. Si bien esta tecnología es definitivamente un logro histórico en la historia de la iluminación eléctrica, plantea sus propios problemas. La industria de la iluminación se enfrenta a un desafío de una magnitud que nunca antes había tenido que afrontar. La iluminación de estado sólido alteró la filosofía del diseño y la ingeniería. Los sistemas de iluminación ya no son iluminadores tontos, se han convertido en electrónica de potencia. En otras palabras, el diseño de los sistemas de iluminación es una complejidad sin precedentes. Los LED son fuentes de luz semiconductoras autocalentables, sensibles a la corriente y de gran intensidad luminosa. Esto da lugar a la mayor preocupación de la iluminación LED: el rendimiento y la fiabilidad de un sistema LED dependen en gran medida de un trabajo multidimensional. Las métricas del paquete LED son solo un aspecto del diseño holístico y la ingeniería de sistemas de un sistema de iluminación LED. Muchos otros factores interdependientes entran en juego, incluida la gestión térmica, la regulación de la corriente del variador y el control óptico.
Los expertos en sillones suelen recopilar una larga lista de desventajas de la iluminación LED. Y para que la historia sea sensacional, nunca olvidarían mencionar que la iluminación LED puede provocar peligros de luz azul. La luz blanca es básicamente una mezcla de longitudes de onda de diferentes bandas de color. Todos los blancos con la misma apariencia de color, independientemente de las fuentes de luz desde las que se emite la luz, tienen aproximadamente la misma proporción de longitudes de onda azules en todo el espectro visible. La apariencia del color de la luz blanca se puede caracterizar por tener una temperatura de color correlacionada (CCT). El contenido azul de una fuente de luz generalmente corresponde a su CCT. Cuanto mayor sea el CCT, mayor será la proporción de longitudes de onda azules. Bajo las mismas condiciones de luminancia e iluminancia, la radiación azul de un producto LED de 3000 K es tan baja como la de una lámpara incandescente de 3000 K, y la radiación azul de un producto LED de 6000 K es tan alta como la de una lámpara fluorescente de 6000 K. Al igual que con otras fuentes de luz, el peligro de la luz azul rara vez es una preocupación para los LED blancos. La capacidad de diseñar la composición espectral de la luz blanca es una gran ventaja de la tecnología LED. Con la iluminación LED, se puede producir cualquier composición espectral de luz que contribuya positivamente a la salud y el bienestar humanos. La iluminación centrada en el ser humano, una importante tendencia tecnológica que está impulsando el crecimiento de la industria de la iluminación, aprovecha la capacidad de ajuste CCT de los sistemas LED para ajustar la cantidad de radiación azul para un espectro saludable de luz blanca.
De hecho, la iluminación LED tiene solo algunas desventajas intrínsecas.
La debilidad más conocida de la iluminación LED es que los LED producen un subproducto: calor. Los LED se denominan dispositivos de calefacción de venta porque generan calor dentro del paquete del dispositivo, en lugar de irradiar calor en forma de energía infrarroja. Alrededor de la mitad de la energía eléctrica alimentada a un LED se convierte en calor, que debe ser conducido y convección a través de un camino térmico físico. Si no se mantiene la temperatura de la unión del dispositivo por debajo de un límite establecido, se puede acelerar la cinética de los mecanismos de falla, como la generación y el crecimiento de defectos atómicos en la región activa del diodo, la carbonización y el amarillamiento del encapsulante y la decoloración de la carcasa del paquete de plástico. Más allá de la temperatura nominal máxima de la unión, la vida útil de un LED se reducirá entre un 30 y un 50 por ciento por cada aumento de 10 °C en la temperatura de la unión.
La debilidad más desconocida, y también la más grande, de la iluminación LED es que los LED son componentes electrónicos de potencia delicados. Son extremadamente quisquillosos con su comida: impulsan la corriente. Para los LED, su alta sensibilidad a la corriente directa es un arma de doble filo. Brinda a los sistemas de iluminación una capacidad de control superior, pero también hace que la regulación de la corriente de accionamiento sea un desafío enorme. Un cambio muy pequeño en la corriente de la unidad hará que la salida de luz fluctúe. Los LED son dispositivos alimentados por CC, sin embargo, a menudo deben alimentarse con una fuente de alimentación de CA. La supresión incompleta de la forma de onda alterna después de la rectificación puede resultar en una ondulación residual (variación periódica residual) en la salida de corriente del controlador a los LED. Esta ondulación hace que los LED parpadeen al doble de la frecuencia del voltaje de la línea de entrada, es decir, 100 Hz o 120 Hz. La interdependencia eléctrica y térmica de los LED también agrega complejidad a la regulación de la carga. A medida que aumenta la temperatura de la unión, disminuye el voltaje directo y también se reduce la energía eléctrica entregada al LED. Por otro lado, cuanto mayor sea la corriente de excitación, mayor será el calor residual generado en la matriz del semiconductor. Sobrecargar para lo que está clasificado un LED puede conducir a una falla temprana del LED debido a un desbordamiento térmico. Sin embargo, la amenaza más dañina para los LED proviene de las sobrecargas eléctricas (EOS). Un EOS ocurre cuando la corriente o el voltaje del variador excede los valores nominales máximos del componente. Existen muchas fuentes posibles de sobrecargas eléctricas, que incluyen descargas electrostáticas (ESD), corrientes de entrada u otros tipos de sobretensiones transitorias. Por lo tanto, la vulnerabilidad de los LED a varios tipos de tensiones eléctricas requiere una regulación estricta de la corriente de excitación.
Una tercera desventaja es que los LED tienen una alta densidad de flujo. Las fuentes de luz concentrada de luz direccional pueden potencialmente crear deslumbramiento. Las luminancias altas en el campo de visión interfieren con la visión (deslumbramiento incapacitante) o provocan una sensación de irritación o dolor (deslumbramiento molesto). Se pueden incorporar ópticas adicionales para mitigar el deslumbramiento en el diseño de las luminarias, pero a menudo resultan en una alta pérdida óptica.
Por último, pero no menos importante, la mayor complejidad del diseño del sistema conduce a un costo inicial más alto de los productos LED en comparación con los productos de iluminación heredados. Esto hace que la optimización de costes sea una parte importante del proceso de diseño de luminarias. Cuando la presión de los costos supere el rendimiento y la confiabilidad de los productos, surgirá una serie de problemas.
