La iluminación del futuro



Por
Elena Vigil Santos*

Una nueva generación
de lámparas semiconductoras
muy eficientes comienza
a revolucionar los sistemas
de iluminación.

El consumo de energía eléctrica para la iluminación de locales, tanto en los hogares como en los centros de trabajo, es un porcentaje significativo del total.

 

Aunque las lámparas fluorescentes presentan una eficiencia mayor que las incandescentes en la conversión de la energía eléctrica en energía luminosa, todas ellas, incluyendo los llamados «bombillos ahorradores», son menos eficientes que las lámparas semiconductoras o diodos emisores de luz (LED).

Estas últimas son las utilizadas actualmente para la iluminación en espacios habitacionales de naves espaciales. En este caso, el costo no es un factor limitante, mientras que la eficiencia energética sí lo es, unida a sus pequeñas dimensiones y bajo peso.

En este artículo se describen estas fuentes de luz y su funcionamiento, y se analiza el estado actual de su tecnología. Se enfatiza en sus perspectivas futuras, ya que las investigaciones las hacen cada día más eficientes y económicas. Se destacan y exponen las ventajas de los LEDs para ser utilizados acoplados con celdas solares o paneles fotovoltaicos, que en el futuro jugarán sin duda un papel protagónico fundamental en la producción de electricidad.

¿Qué es un LED?
El LED (Light emitting diode), que en español significa «diodo emisor de luz», es un semiconductor de dimensiones muy pequeñas, 0,5 x 0,5 x 0,3 mm (menos que un grano de sal de mesa), que cuando se encapsula en un plástico transparente, que a la vez hace de lente, parece un fósforo o un pequeño bombillito de unos 5 mm de diámetro (Fig. 1). Al diodo emisor de luz ya encapsulado se le llama LED.

El LED es un dispositivo semiconductor similar a los diodos de silicio utilizados en electrónica, pero de otros materiales semiconductores, como GaxP1–xAs, InxGa1–xP.


Fig. 1. a) Encapsulado plástico más usual
de los LEDs. b) Sin el encapsulado.

Ese pequeño dado semiconductor tiene una estructura com pleja de capas que se hacen con tecnología planar, al igual que los dispositivos de la microelectrónica. Se procesa una oblea de varios centímetros de diámetro y, después que pasa diferentes procesos tecnológicos, se corta en los pequeños daditos que se encapsulan.

Se puede observar el dadito muy pequeño en el centro. A la izquierda se ven los contactos eléctricos que continúan afuera.

Tabla 1. Relación entre la intensidad luminosa y la potencia de trabajo

¿Qué es una lámpara semiconductora?
Es el arreglo de dos o tres dados, encapsulados en un mismo plástico, o de varios LEDs encapsulados formando un conjunto (desde unos pocos hasta cientos). Las lámparas semiconductoras permiten una variedad muy grande de formas según los usos. El número de LEDs depende de la intensidad luminosa necesaria y de la forma de aplicación de la luminaria (Fig. 2).

Comparación de los LEDs con otras fuentes de luz tradicionales
1. Cada LED de un arreglo trabaja con voltajes menores que 3 V y con corrientes de 20 mA, aproximadamente. O sea, cada uno consume una potencia de 0,06 W.
2. Su eficiencia es más alta que la de los bombillos incandescentes. Se continúa desarrollando la tecnología y se espera alcanzar en un futuro eficiencias aún mayores (Tabla 1). Dadas sus pequeñas dimensiones, producen muy alta luminosidad por unidad de área.
3. La confiabilidad constituye la característica más importante de un LED. La vida útil esperada es de cerca de cien mil horas. Esto es igual a casi once años de operación continua, sin apagarse.
Es importante considerar la temperatura de operación del LED que puede reducir su vida. Bajo operación normal (25 oC y 20 mA), la luz emitida disminuye 2 % cada mil horas de operación.
4. Los LEDs son muy resistentes mecánicamente. Para romperlos habría que golpearlos con un martillo; muy distinto a las lámparas de vidrio incandescentes y fluorescentes.
5. La luz que emiten los LEDs es monocromática,
o sea, de un solo color, a diferencia de las lámparas incandescentes y las fluorescentes, que emiten un espectro en un rango amplio de longitudes de onda. La longitud de onda de la luz es la que determina el color. Hay LEDs rojos, naranjas, amarillos, verdes, azules, violetas, ultravioleta e infrarrojos. Los dos últimos no son visibles para el ojo humano.
6. En la pequeña lámpara de la figura 2a están encapsulados juntos un LED rojo, uno verde y otro azul; es decir, los colores primarios, para lograr tener luz de cualquier color, incluyendo el blanco. Es conocido que todo color puede descomponerse en tres componentes. El color deseado se obtiene con diferentes valores de corrientes para cada LED, a fin de lograr distintas intensidades de cada color primario. La unión de los tres en el ojo produce el color deseado.

 


Fig. 2. Distintas lámparas semiconductoras.

Es el mismo principio del televisor en color, donde en la pantalla cada punto en realidad son tres puntos: uno rojo, uno verde y uno azul; ello ofrece grandes ventajas en la iluminación decorativa, en la iluminación para ambientes especiales de trabajo e iluminación para visión por cámaras y sensores en autómatas, y en máquinas automatizadas. Para estos usos es muy conveniente que en los LEDs la intensidad emitida responda linealmente con la corriente.

7. Características únicas y muy importantes de los LEDs, para ciertas aplicaciones automatizadas, es que se apagan y encienden muy rápidamente, en fracciones de millonésimas de segundo, además de que pueden acoplarse a fibras ópticas, o guías de luz, para conducir la luz.

¿Por qué un LED emite luz?
Cuando se irradia luz se está emitiendo energía en forma de energía luminosa. Un LED emite luz porque es capaz de convertir la energía eléctrica que se le suministra, en energía luminosa.

¿Cómo funciona un LED (cómo convierte la energía eléctrica en energía luminosa)?
Un diodo semiconductor está constituido por dos semiconductores de distinto tipo (Fig. 3). Las estructuras más sencillas tienen al menos dos tipos de capas diferentes (una tipo N y la otra tipo P) y entre estas dos capas se encuentra lo que se llama unión (la altura del dadito es menor que 0,3 mm y la unión menor que 0,001 mm).


Fig. 3. Esquema simplificado de un diodo semiconductor.
La llamada unión, no observable por sus dimensiones,
se forma entre las zonas N y P.

Este dispositivo sólo conduce una corriente eléctrica cuando el negativo de una fuente de voltaje se conecta a la parte N, y el positivo a la parte P. En este caso, el diodo está conectado en forma directa. Los LEDs trabajan conectados en directa. La llamada unión o juntura conectada en directa hace que cuando los portadores de carga la atraviesan, o sea, cuando pasa corriente a través de ella, se pierda energía, que puede ser térmica o luminosa. Cuando los materiales son los adecuados, la energía eléctrica se convierte en energía luminosa y ello da lugar a un LED.

Uso actual de los LEDs
Actualmente, las lámparas semiconductoras o lámparas a LEDs tienen múltiples usos:

• Decoración de interiores y exteriores por sus bellos colores y multiplicidad de formas (Fig. 4).



Fig. 4. Wuhan Asia Hotel
y Beijing Century City Building.

• Señalizadores de diversos tipos, por ejemplo, en carreteras, edificios, pantallas informativas, semáforos.
• En lugares lejos de la red o donde se quiera evitar conexión por cable, por ejemplo, en jardines alimentados con energía fotovoltaica. (El uso de lámparas en base a LEDs evita tener que transformar la corriente directa en alterna, por cuanto los LEDs utilizan pequeñas cantidades de corriente directa y bajos voltajes. O sea, tienen varias ventajas respecto a otras luminarias para su uso con celdas solares).
• Por su color o dirección, en locales de trabajo que requieren de iluminación especial.
• En maquinaria automatizada, para proporcionar determinado color que sea «visto» mejor por la cámara o el sensor óptico.
• Para la iluminación de las naves espaciales.


Fig. 5. Se han desarrollado LEDs en base a polímeros,
resultando más baratos los materiales y la tecnología.
Tienen la ventaja de poder cubrir grandes áreas y ser flexibles,
lo cual permitirá ciertos usos, por ejemplo,
el de ropa lumínica, en el futuro.

Perspectivas futuras
Estas lámparas no sustituyen aún a las fluorescentes en usos comunes por su costo, pero sin duda lo harán, porque se trabaja para aumentar aún más su eficiencia de convertir la corriente eléctrica en luz y para lograr materiales más baratos (en este sentido son muy recientes las investigaciones en LEDs orgánicos, conocidos como OLEDs) (Fig. 5). Por último, no hay otra fuente de luz, hoy conocida, con las ventajas de los LEDs para ser utilizados con las celdas solares fotovoltaicas; sin duda, en el futuro desempeñarán un papel protagónico fundamental.

* Doctora en Ciencias Físicas. Presidenta de la Delegación Habana de CUBASOLAR. Presidenta de la Cátedra de Energía Solar, de la Universidad de La Habana. Miembro de la Academia de Ciencias de Cuba.
e-mail: evigil@fisica.uh.cu