Lámpara LED
Luz eléctrica que produce luz mediante LED

Lámpara LED
Lámpara LED de 230 voltios con casquillo E27 (10 vatios, 806 lúmenes , 3000 Kelvin )
TipoDiodo emisor de luz , bombilla
Primera producción 1968 ; hace 56 años ( 1968 )
Lámpara de filamento LED de 230 voltios con casquillo E27 . Los filamentos se ven como ocho líneas verticales amarillas.
Una variedad de lámparas LED disponibles comercialmente en 2010: luminarias de proyección (izquierda), luz de lectura (centro), lámparas para el hogar (centro derecha y abajo) y aplicaciones de luz de acento de bajo consumo (derecha)
Un módulo LED Chips on Board (COB) de 80 W de una luminaria industrial, unido térmicamente al disipador de calor

Una lámpara LED o luz LED [1] es una luz eléctrica que produce luz mediante diodos emisores de luz (LED). Las lámparas LED son significativamente más eficientes energéticamente que las lámparas incandescentes y fluorescentes equivalentes . [2] [3] [4] Las lámparas LED más eficientes disponibles comercialmente tienen eficiencias superiores a 200 lúmenes por vatio (lm/W) y convierten más de la mitad de la potencia de entrada en luz. [5] [6] [7] Las lámparas LED comerciales tienen una vida útil varias veces mayor que las lámparas incandescentes y fluorescentes.

Las lámparas LED requieren un circuito electrónico LED para funcionar con la red eléctrica, y las pérdidas de este circuito significan que la eficiencia de la lámpara es menor que la eficiencia de los chips LED que utiliza. El circuito del controlador puede requerir características especiales para ser compatible con los reguladores de intensidad de la lámpara diseñados para su uso en lámparas incandescentes. Generalmente, la forma de onda de la corriente contiene cierta cantidad de distorsión, dependiendo de la tecnología de las luminarias. [8]

Se proyecta que el mercado de lámparas LED crecerá de 75.800 millones de dólares en 2020 a 160.000 millones de dólares en 2026. [9]

Los LED alcanzan su brillo máximo de inmediato, sin demora de calentamiento. El encendido y apagado frecuente no reduce la expectativa de vida, como sucede con la iluminación fluorescente. [10] La salida de luz disminuye gradualmente a lo largo de la vida útil del LED.

Algunas lámparas LED son reemplazos directos de lámparas incandescentes o fluorescentes. Las lámparas LED pueden utilizar múltiples paquetes de LED para mejorar la dispersión de la luz, la disipación del calor y el costo general. El texto en el empaque de la lámpara LED para venta minorista puede mostrar la salida de luz en lúmenes, el consumo de energía en vatios, la temperatura de color en kelvin o una descripción del color como "blanco cálido", "blanco frío" o "luz de día", el rango de temperatura de funcionamiento, si la lámpara es compatible con reguladores de intensidad, si la lámpara es adecuada para condiciones húmedas/húmedas/mojadas y, a veces, el vataje equivalente de una lámpara incandescente que ofrece la misma salida en lúmenes.

Historia

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

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

  • Las lámparas incandescentes producen luz con un filamento incandescente calentado por corriente eléctrica. Son muy ineficientes, tienen una eficacia luminosa de 10–17 lm/W y también tienen una vida útil corta, normalmente de 1000 horas. Se están eliminando gradualmente de las aplicaciones de iluminación general. Las lámparas incandescentes producen un espectro de luz de cuerpo negro continuo similar a la luz solar y, por lo tanto, producen un alto índice de reproducción cromática (IRC). [ cita requerida ]
  • Las lámparas fluorescentes producen luz ultravioleta mediante una descarga luminosa entre dos electrodos en un tubo de baja presión de vapor de mercurio , que se convierte en luz visible mediante un revestimiento fluorescente ( fósforo ) en el interior del tubo. Son más eficientes que las lámparas incandescentes, ya que tienen una eficacia luminosa de 50 a 100 lm/W (según la estructura, el tipo de fósforo y el tipo de balasto utilizado), tienen una vida útil más larga de 6.000 a 15.000 horas y se utilizan ampliamente para la iluminación residencial y de oficinas. Sin embargo, su contenido de mercurio las convierte en un peligro para el medio ambiente y deben eliminarse como residuos peligrosos .
  • Lámparas de halogenuros metálicos , que producen luz mediante un arco entre dos electrodos en una atmósfera de argón, mercurio y otros metales, y yodo o bromo. Estas lámparas se encontraban entre las luces eléctricas blancas más eficientes antes de los LED, con una eficacia luminosa de 75-100 lm/W y una vida útil relativamente larga de 6.000-15.000 horas; debido a que requieren un período de calentamiento de 5-7 minutos antes de alcanzar su máxima potencia, las lámparas de halogenuros metálicos no se utilizan para iluminación residencial, sino para iluminación comercial e industrial de áreas extensas y, en exteriores, para luces de seguridad y farolas. Al igual que los fluorescentes, también contienen mercurio peligroso.

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

Los primeros LED de bajo consumo se desarrollaron a principios de los años 60 y solo producían luz en las frecuencias bajas y rojas del espectro. En 1968 se introdujeron las primeras lámparas LED comerciales: la pantalla LED de Hewlett-Packard [11] , que fue desarrollada por Howard C. Borden y Gerald P. Pighini, y la lámpara indicadora LED de Monsanto Company [11] . Sin embargo, las primeras lámparas LED eran ineficientes y solo podían mostrar colores rojos intensos, lo que las hacía inadecuadas para la iluminación general y restringía su uso a pantallas numéricas y luces indicadoras [11] .

El primer LED azul de alto brillo fue demostrado por Shuji Nakamura de Nichia Corporation en 1994. [12] Isamu Akasaki , Hiroshi Amano y Nakamura fueron posteriormente galardonados con el Premio Nobel de Física de 2014 por la invención del LED azul. [13] La existencia de LED azules y LED de alta eficiencia condujo al desarrollo del primer "LED blanco", que empleaba un revestimiento de fósforo para convertir parcialmente la luz azul emitida en frecuencias rojas y verdes, creando una luz que parece blanca. [14]

Las nuevas luces LED ingresaron al mercado a principios del siglo XXI en los EE. UU. (Cree) y Japón (Nichia, Panasonic y Toshiba), y luego a partir de 2004 en Corea y China (Samsung, Kingsun, Solstice, Hoyol y otros). [15]

En los EE. UU., la Ley de Seguridad e Independencia Energética (EISA) de 2007 autorizó al Departamento de Energía (DOE) a establecer el concurso Bright Tomorrow Lighting Prize , conocido como el "Premio L", [16] desafiando a la industria a desarrollar reemplazos para lámparas incandescentes de 60 W y otras lámparas. [17] Los productos que cumplen con los requisitos del concurso utilizarían solo el 17% de la energía utilizada por la mayoría de las lámparas incandescentes de ese momento.

Philips Lighting dejó de investigar sobre fluorescentes compactos en 2008 y comenzó a dedicar la mayor parte de su presupuesto de investigación y desarrollo a la iluminación de estado sólido. [18] El 24 de septiembre de 2009, Philips Lighting North America se convirtió en la primera en presentar lámparas en la categoría para reemplazar la bombilla estándar A-19 de 60 W con rosca Edison , [19] con un diseño basado en su producto de consumo anterior "AmbientLED". El DOE le otorgó el premio a Philips después de 18 meses de pruebas exhaustivas. Muchos otros productos igualmente eficientes siguieron su ejemplo. [20]

Las primeras lámparas LED variaban mucho en cromaticidad con respecto a las lámparas incandescentes a las que reemplazaban. Se desarrolló una norma, ANSI C78.377-2008, que especificaba los rangos de color recomendados para productos de iluminación de estado sólido que utilizan LED de color blanco frío a cálido con varias temperaturas de color correlacionadas. [21] En junio de 2008, el NIST anunció las dos primeras normas para la iluminación de estado sólido en los Estados Unidos. Estas normas detallan las especificaciones de rendimiento para las fuentes de luz LED y prescriben métodos de prueba para productos de iluminación de estado sólido.

También en 2008, en Estados Unidos y Canadá, el programa Energy Star comenzó a etiquetar las lámparas que cumplen con un conjunto de estándares de tiempo de encendido, expectativa de vida, color y consistencia de rendimiento. La intención del programa es reducir las preocupaciones de los consumidores debido a la calidad variable de los productos, al brindar transparencia y estándares para el etiquetado y la facilidad de uso de los productos disponibles en el mercado. [22] Energy Star Certified Light Bulbs es un recurso para encontrar y comparar lámparas calificadas por Energy Star.

En el Reino Unido se lanzó un programa similar (gestionado por Energy Saving Trust ) para identificar productos de iluminación que cumplieran con las pautas de ahorro de energía y rendimiento. [23] Ushio lanzó la primera lámpara de filamento LED en 2008. [24] Philips lanzó su primera lámpara LED en 2009, [25] seguida por la primera lámpara LED equivalente a 60 W del mundo en 2010, [26] [27] [28] [29] y una versión equivalente a 75 vatios en 2011. [30]

En 2008, la Sociedad de Ingeniería de Iluminación de Norteamérica (IESNA) publicó una norma documental LM-79 , que describe los métodos para probar productos de iluminación de estado sólido para determinar su salida de luz (lúmenes), eficacia (lúmenes por vatio) y cromaticidad.

A partir de 2016 [actualizar], en opinión de Noah Horowitz del Consejo de Defensa de los Recursos Naturales , las nuevas normas propuestas por el Departamento de Energía de los Estados Unidos probablemente significarían que la mayoría de las bombillas utilizadas en el futuro serían LED. [31]

En 2019, el consumo de electricidad en los Estados Unidos había disminuido durante al menos cinco años consecutivos, debido en parte a que los consumidores de electricidad estadounidenses reemplazaron las bombillas incandescentes por LED debido a su eficiencia energética y alto rendimiento. [32]

En 2023, Signify NV introdujo lámparas LED de alta eficiencia con clase de eficiencia A de la UE, que requiere una eficiencia de al menos 215 lm/W. [33]

Ejemplos de adopción temprana

Los LED como iluminación navideña en Viborg, Dinamarca

En 2003 se presentaron las primeras gafas quirúrgicas con LED. [34] Audi presentó el concept car Audi Nuvolari con faros LED. [35] [36] [37]

En 2004, Audi lanzó el primer automóvil con luces diurnas LED y direccionales, el Audi A8 W12 2004. [34] [38] [39]

En 2005, se instaló una lámpara LED para iluminar la Mona Lisa . [40] Los LED se utilizaron en el Casino Breda en los Países Bajos, la Ópera Estatal de Viena y el lugar donde se celebró el Gran Premio de Shanghái, por ejemplo. Había linternas LED y faros delanteros disponibles para la gente. [35]

En 2006 se lanzaron algunos de los primeros focos LED para uso en tiendas. [41]

En 2007, Audi fue el primer fabricante de automóviles en ofrecer faros que utilizaban únicamente LED, utilizados en el Audi R8 . [42]

En 2008, Sentry Equipment Corporation en Oconomowoc , Wisconsin, EE. UU., pudo iluminar el interior y el exterior de su nueva fábrica casi exclusivamente con LED. El costo inicial fue tres veces el de una combinación tradicional de lámparas incandescentes y fluorescentes, pero el costo adicional se recuperó en dos años a través del ahorro de electricidad, y las lámparas no deberían necesitar reemplazo durante 20 años. [18] En 2009, la oficina de Manapakkam, Chennai, de la empresa de TI india, iGate, gastó ₹ 3.700.000 ( US$ 80.000) para iluminar 57.000 pies cuadrados (5.300 m 2 ) de espacio de oficina con LED. La empresa esperaba que la nueva iluminación se amortizara en 5 años. [43]

En 2009, Audi fue el primer fabricante en ofrecer un automóvil que utilizaba exclusivamente iluminación LED: el Audi R8 2009. [44]

En 2009, el enorme árbol de Navidad que se alza frente a la catedral de Turku (Finlandia) fue decorado con 710 lámparas LED de 2 vatios cada una. Se calcula que la inversión de estas lámparas LED se amortizó en tres años y medio, a pesar de que las luces solo funcionan 48 días al año. [45]

En 2009 se inauguró una nueva autopista (A29) en Aveiro , Portugal; incluía la primera autopista pública europea con iluminación basada en LED. [46]

En 2010, las instalaciones masivas de iluminación LED para usos comerciales y públicos se estaban volviendo comunes. Las lámparas LED se utilizaron para una serie de proyectos de demostración de iluminación exterior y farolas LED . El Departamento de Energía de los Estados Unidos publicó varios informes sobre los resultados de muchos proyectos piloto de iluminación exterior municipal [47] , y pronto se sumaron muchos proyectos adicionales de iluminación exterior municipal y de farolas. [48]

En 2016, el Gobierno de la India lanzó el " plan de bombillas LED Ujala " para reducir la huella de carbono de la India y ahorrar electricidad. Distribuyó 370 millones de bombillas LED de forma gratuita, a partir de marzo de 2022, lo que supuso un ahorro de 200 000 millones de rupias (2400 millones de dólares estadounidenses) en la factura eléctrica de los hogares de clase media y pobres. El plan pretende sustituir todas las bombillas incandescentes y CFL por luces LED más eficientes en el país. Para reducir el precio de las bombillas LED, el Gobierno fomentó la producción de bombillas en el país. [49]

Tecnología

Las lámparas LED a menudo se fabrican con conjuntos de módulos LED de montaje superficial .

Una diferencia significativa con respecto a otras fuentes de luz es que la luz es más direccional. Un LED es un emisor " lambertiano ", que produce un cono de luz con puntos de media potencia a unos 60° del eje. Un diodo láser es otra forma de emisor LED, pero produce luz mediante un mecanismo diferente.

LED de luz blanca

Lámpara LED utilizada en fotografía

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

Los LED blancos tricromáticos o RGB utilizan múltiples chips LED que emiten longitudes de onda de color rojo, verde y azul. Estos tres colores se combinan para producir luz blanca. El índice de reproducción cromática (IRC) es bajo, normalmente de 25 a 65, debido al estrecho rango de longitudes de onda emitidas. [50] Se pueden obtener valores de IRC más altos utilizando más de tres colores de LED para cubrir un rango mayor de longitudes de onda. [ cita requerida ]

El segundo método, base de la mayoría de las lámparas LED disponibles comercialmente, utiliza los LED junto con un fósforo para producir colores complementarios a partir de un único LED. Parte de la luz del LED es absorbida por las moléculas del fósforo, lo que hace que emitan fluorescencia , emitiendo luz de otro color a través del desplazamiento de Stokes . El método más común es combinar un emisor LED azul con un fósforo amarillo, produciendo un rango estrecho de longitudes de onda azules y una banda amplia de longitudes de onda "amarillas" que en realidad cubren el espectro del verde al rojo. El valor CRI puede variar de menos de 70 a más de 90, aunque una amplia gama de LED comerciales de este tipo tienen un índice de reproducción cromática en torno a 82. [50] Tras sucesivos aumentos de eficacia, que habían alcanzado los 210 lm/W en producción a partir de 2021, [51] este tipo ha superado el rendimiento de los LED tricromáticos. Los fósforos utilizados en los LED de luz blanca pueden proporcionar temperaturas de color correlacionadas en el rango de 2200 K (incandescente atenuado) hasta 7000 K o más. [52]

Iluminación LED que cambia de color

Los sistemas de iluminación modulables emplean bancos de LED de colores que se pueden controlar individualmente, ya sea utilizando bancos separados de cada color o LED de múltiples chips con los colores combinados y controlados a nivel de chip. [53] Por ejemplo, los LED blancos de diferentes temperaturas de color se pueden combinar para construir una bombilla LED que disminuye su temperatura de color cuando se atenúa. [54]

Controladores de LED

Lámpara LED doméstica con sus elementos LED internos y circuitos de controlador LED expuestos

Los chips LED requieren energía eléctrica de corriente continua (CC) controlada y se requiere un circuito apropiado como controlador de LED para convertir la corriente alterna de la fuente de alimentación a la corriente continua de voltaje regulado que utilizan los LED.

Los controladores LED son componentes esenciales de las lámparas LED para garantizar una vida útil y un rendimiento aceptables de la lámpara. Un controlador puede proporcionar funciones como atenuación y control remoto. Los controladores LED pueden estar en la misma carcasa de la lámpara que el conjunto de diodos o montados de forma remota respecto de los diodos emisores de luz. Los controladores LED pueden requerir componentes adicionales para cumplir con las regulaciones de corriente armónica de línea de CA aceptable.

Gestión térmica

Las lámparas LED funcionan a menor temperatura que sus predecesoras, ya que no hay arco eléctrico ni filamento de tungsteno, pero aún así pueden causar quemaduras. Se requiere la gestión térmica de los LED de alta potencia para mantener la temperatura de unión del dispositivo LED cerca de la temperatura ambiente, ya que el aumento de temperatura reduce la salida de luz y puede causar una falla catastrófica . Los LED usan mucha menos energía para una salida de luz dada, pero producen algo de calor, y se concentra en una matriz semiconductora muy pequeña. Debido a su baja temperatura de funcionamiento, las lámparas LED no pueden perder mucho calor por radiación; en cambio, el calor se conduce a través de la parte posterior de la matriz a un disipador de calor o aleta de enfriamiento adecuadamente diseñado , desde donde se disipa por convección. [25] Las lámparas de muy alta potencia para usos industriales con frecuencia están equipadas con ventiladores de refrigeración . [55] Algunos fabricantes colocan los LED y todos los circuitos en una bombilla de vidrio como las bombillas incandescentes convencionales, pero con un relleno de gas helio para conducir el calor y así enfriar los LED. [56] Otros colocan los LED en una placa de circuito con un respaldo de aluminio; La parte posterior de aluminio está conectada térmicamente a la base de aluminio de la lámpara mediante pasta térmica, y la base está incrustada en una carcasa de plástico de melamina. Debido a la necesidad de refrigeración por convección alrededor de una lámpara LED, es necesario tener mucho cuidado al colocar la lámpara en una luminaria cerrada o con poca ventilación o cerca de un aislamiento térmico .

Caída de la eficiencia

Lámpara LED desmontada con circuito impreso de fuente de alimentación conmutada y tornillo Edison
Caída de la eficiencia en un LED InGaN en función de su corriente de entrada [57]

El término "caída de eficiencia" se refiere a la disminución de la eficacia luminosa de los LED a medida que aumenta la corriente eléctrica . En lugar de aumentar los niveles de corriente, la salida de luz generalmente se aumenta conectando múltiples emisores LED en paralelo y/o en serie en una lámpara. Resolver el problema de la caída de eficiencia significaría que las lámparas LED domésticas requerirían menos LED, lo que reduciría significativamente los costos. [58] [59] [60] [61]

Las primeras sospechas apuntaban a que la caída de la eficiencia de los LED se debía a las elevadas temperaturas. Los científicos demostraron que la temperatura no era la causa principal de la caída de la eficiencia. [62] El mecanismo que causa la caída de la eficiencia se identificó en 2007 como la recombinación Auger , que se tomó con una reacción mixta. [61] Un estudio de 2013 identificó de manera concluyente la recombinación Auger como la causa. [63]

Algunos láseres se han adaptado como alternativa a los LED para proporcionar una iluminación muy enfocada. [64] [65]

Aplicaciones

Las lámparas LED se utilizan tanto para iluminación general como para fines especiales. Cuando se necesita luz de color, los LED que emiten inherentemente luz de un solo color no requieren filtros de absorción de energía. Las lámparas LED están comúnmente disponibles como reemplazos directos para bombillas o accesorios, reemplazando un accesorio completo (como paneles de luz LED que reemplazan troffers fluorescentes o accesorios de focos LED que reemplazan accesorios halógenos similares) o bombillas (como tubos LED que reemplazan tubos fluorescentes dentro de troffers o lámparas de reemplazo LED HID que reemplazan bombillas HID dentro de accesorios HID). Las diferencias entre reemplazar un accesorio y reemplazar una bombilla son que, cuando un accesorio (como un troffer) se reemplaza con algo como un panel LED, el panel debe reemplazarse en su totalidad si los LED o el controlador que contiene fallan, ya que es imposible reemplazarlos individualmente de manera práctica [66] (aunque el controlador a menudo está separado y, por lo tanto, puede reemplazarse), mientras que, si solo se reemplaza la bombilla con una lámpara de reemplazo LED, la lámpara se puede reemplazar independientemente del accesorio si la lámpara falla. Algunas lámparas LED de reemplazo requieren que se modifique el dispositivo, por ejemplo, quitando eléctricamente el balasto del dispositivo, conectando así la lámpara LED directamente a la red eléctrica; otras pueden funcionar sin ninguna modificación en el dispositivo. [67]

Iluminación del templo BAPS Shri Swaminarayan de Atlanta con luminarias LED que combinan colores
La iluminación LED dirigida por ordenador permite realzar las cualidades únicas de las pinturas del Museo Nacional de Varsovia . [68]

Las lámparas LED de luz blanca tienen una mayor expectativa de vida y una mayor eficiencia (más luz para la misma electricidad) que la mayoría de las demás luminarias cuando se utilizan a la temperatura adecuada. Las fuentes LED son compactas, lo que brinda flexibilidad en el diseño de luminarias y un buen control sobre la distribución de la luz con reflectores o lentes pequeños. Debido al pequeño tamaño de los LED, el control de la distribución espacial de la iluminación es extremadamente flexible [69] y la salida de luz y la distribución espacial de una matriz LED se pueden controlar sin pérdida de eficiencia.

Los LED que utilizan el principio de mezcla de colores pueden emitir una amplia gama de colores al cambiar las proporciones de luz generada en cada color primario. Esto permite una mezcla completa de colores en lámparas con LED de diferentes colores. [70] A diferencia de otras tecnologías de iluminación, la emisión de LED tiende a ser direccional (o al menos lambertiana ), lo que puede ser ventajoso o desventajoso, según los requisitos. Para aplicaciones donde se requiere luz no direccional, se utiliza un difusor o se utilizan varios emisores de LED individuales para emitir en diferentes direcciones.

Lámparas LED para el hogar

Tamaños y bases

Una selección de lámparas LED de consumo disponibles en 2012 como reemplazo directo de bombillas incandescentes en casquillos tipo rosca

Las lámparas LED se fabrican con conexiones y formas de lámpara estándar , como una base de rosca Edison , una forma MR16 con una base de dos clavijas o una GU5.3 (tapa de dos clavijas) o GU10 (conexión de bayoneta) y se hacen compatibles con el voltaje suministrado a los portalámparas. Incluyen circuitos de control para rectificar la alimentación de CA y convertir el voltaje a un valor apropiado, generalmente una fuente de alimentación de modo conmutado .

A partir de 2010, [actualizar]algunas lámparas LED reemplazaron a las bombillas de mayor potencia; por ejemplo, un fabricante afirmó que una lámpara LED de 16 vatios era tan brillante como una lámpara halógena de 150 W. [71] Una bombilla incandescente estándar de uso general emite luz con una eficacia de aproximadamente 14 a 17 lm/W dependiendo de su tamaño y voltaje. (La eficacia de las lámparas incandescentes diseñadas para suministros de 230 V es menor, porque el menor voltaje de suministro en América del Norte es más favorable a la eficacia). Según el estándar de la Unión Europea, una lámpara de bajo consumo que afirma ser equivalente a una lámpara de tungsteno de 60 W debe tener una salida de luz mínima de 806 lúmenes. [72]

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

Algunos modelos de lámparas LED son compatibles con reguladores de intensidad . Las lámparas LED suelen tener características de luz direccional. Las mejores de estas lámparas, a partir de 2022, son más eficientes energéticamente que las lámparas fluorescentes compactas [73] [ se necesita una mejor fuente ] y ofrecen una vida útil de 30.000 horas o más, que se reduce si se opera a una temperatura más alta que la especificada. Las lámparas incandescentes tienen una vida útil típica de 1.000 horas [74] y las fluorescentes compactas de unas 8.000 horas [75] . Tanto las lámparas LED como las fluorescentes utilizan fósforos, cuya salida de luz disminuye a lo largo de su vida útil. Las especificaciones Energy Star requieren que las lámparas LED normalmente bajen menos del 10% después de 6.000 horas o más de funcionamiento y, en el peor de los casos, no más del 15%. [76] Las lámparas LED están disponibles con una variedad de propiedades de color. El precio de compra es más alto que el de la mayoría de las otras lámparas (aunque está bajando), pero la mayor eficiencia generalmente hace que el costo total de propiedad (precio de compra más costo de electricidad y cambio de bombillas) sea menor. [19]

Varias empresas ofrecen lámparas LED para iluminación general. La tecnología está mejorando rápidamente y hay disponibles nuevas lámparas LED de consumo energéticamente eficientes. [77] [78] A partir de 2016 [actualizar], en los Estados Unidos, las lámparas LED están cerca de ser adoptadas como la fuente de luz principal [79] debido a la caída de los precios y porque las lámparas incandescentes se están eliminando gradualmente. [80] En los EE. UU., la Ley de Independencia y Seguridad Energética de 2007 prohíbe efectivamente la fabricación e importación de la mayoría de las lámparas incandescentes actuales. Las lámparas LED han bajado sustancialmente de precio y muchas variedades se venden a precios subsidiados por las empresas de servicios públicos locales. Sin embargo, en septiembre de 2019, la administración Trump revocó los requisitos para nuevas bombillas energéticamente eficientes. [81] La administración Biden finalizó las regulaciones de eficiencia en 2023 que requieren iluminación de 45 lm/W y ahorrarán a los consumidores $3 mil millones por año en costos de electricidad. [82]

Lámparas de tubo LED

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

Las luces de tubo LED están diseñadas para encajar físicamente en los accesorios destinados a tubos fluorescentes . Algunas lámparas tubulares LED están destinadas a ser un reemplazo directo en los accesorios existentes si se utiliza el balasto adecuado. Otras requieren el recableado de los accesorios para quitar el balasto. Una lámpara de tubo LED generalmente utiliza muchos LED individuales montados en superficie que son direccionales y requieren una orientación adecuada durante la instalación a diferencia de las lámparas de tubo fluorescente que emiten luz en todas las direcciones alrededor del tubo. La mayoría de las luces de tubo LED disponibles se pueden usar en lugar de las designaciones de tubo T5, T8, T10 o T12 , T8 es D26 mm, T10 es D30 mm, en longitudes de 590 mm (23 in), 1200 mm (47 in) y 1500 mm (59 in).

Iluminación diseñada para LED

Lámpara de pared LED

A medida que disminuye la necesidad de compatibilidad con los accesorios existentes, se han ido utilizando luminarias más nuevas con LED de larga duración incorporados o diseñadas para lámparas LED. Este tipo de iluminación no requiere que cada bombilla contenga circuitos para funcionar con voltaje de red .

Plantas

Los experimentos revelaron un sorprendente rendimiento y producción de vegetales y plantas ornamentales bajo fuentes de luz LED. [83] Muchas especies de plantas han sido evaluadas en ensayos de invernadero para asegurarse de que la calidad de la biomasa y los ingredientes bioquímicos de dichas plantas sea al menos comparable con las cultivadas en condiciones de campo. El rendimiento de las plantas de menta, albahaca, lentejas, lechuga, repollo, perejil y zanahoria se midió evaluando tanto la salud y el vigor de las plantas como el éxito de los LED en promover el crecimiento. También se observó una floración profusa de plantas ornamentales seleccionadas, incluidas la prímula, la caléndula y el alhelí. [83] [84]

Los diodos emisores de luz (LED) ofrecen una iluminación eléctrica eficiente en las longitudes de onda deseadas (rojo + azul) que respaldan la producción en invernadero en un tiempo mínimo y con alta calidad y cantidad. [ cita requerida ] Como los LED son fríos, las plantas se pueden colocar muy cerca de las fuentes de luz sin sobrecalentarse ni quemarse, lo que requiere mucho menos espacio para un cultivo intenso que con la iluminación de funcionamiento en caliente. [ cita requerida ]

Especialidad

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

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

Iluminación exterior

Proyectores LED

Hacia el año 2010, la tecnología LED llegó a dominar la industria de la iluminación exterior, ya que los LED anteriores no eran lo suficientemente brillantes para la iluminación exterior. Un estudio realizado en 2014 concluyó que los consumidores reconocían fácilmente la temperatura de color y la precisión de las luces LED, y preferían los LED con temperaturas de color naturales. [85] Los LED ahora pueden igualar el brillo y la temperatura de color más cálida que los consumidores desean de su sistema de iluminación exterior.

Los LED se utilizan cada vez más para el alumbrado público en lugar de las lámparas de mercurio y sodio debido a sus menores costos de funcionamiento y reemplazo de las lámparas. Sin embargo, ha habido preocupaciones de que el uso de alumbrado público LED con luz predominantemente azul puede causar daño ocular, y que algunos LED se encienden y apagan a una frecuencia dos veces mayor que la de la red eléctrica, lo que causa malestar en algunas personas y posiblemente sea engañoso con la maquinaria rotatoria debido a los efectos estroboscópicos . Estas preocupaciones se pueden abordar mediante el uso de iluminación apropiada, en lugar de preocuparse simplemente por el costo. [86]

Lámparas ultravioleta

Los LED UV han crecido rápidamente en los últimos años porque se pueden configurar para emitir longitudes de onda de luz específicas. A diferencia de las lámparas de descarga de gas o fluorescentes, que están limitadas por sus materiales, las longitudes de onda de los LED están determinadas por el ancho de banda prohibida.

Para la producción de vitamina D, las lámparas LED son mejores porque las lámparas tradicionales no pueden producir la longitud de onda exacta de 293 nanómetros necesaria para aumentar los niveles de vitamina D. Las lámparas UVB de 293 nanómetros son más efectivas que otras lámparas UVB (como las de 312 nanómetros o de banda ancha) porque proporcionan suficiente luz UVB para la vitamina D sin causar enrojecimiento de la piel, incluso en dosis más bajas. [87]

Comparación con otras tecnologías de iluminación

Consulte la eficacia luminosa para ver un cuadro de eficiencia que compara varias tecnologías.

Tabla comparativa

Comparación de costos de una bombilla incandescente equivalente a 60 vatios (precios de electricidad residencial en EE. UU.)
CONDUJOLFC [88]Halógeno [89]Incandescente [ 90]
Philips ultra
eficiente (2023) [91]		EcoSmart
transparente (2018) [92]		V-TAC
(2018) [93]		Philips
(2017) [94]		Cree
(2019) [95]
Precio de compra$7,19$3,291,79 dólares$2,54$3,931,54 dólares1,17 dólares$0,41
Vatios46.598.59.5144360
lúmenes (media)840800806800815775 [96]750860
lúmenes/vatio210123.189.694.185.855.417.414.3
Temperatura de color Kelvin30002700270027002700270029202700
CRI808080+808582100100
Esperanza de vida (horas)50.00015.00020.00010.00025.00010.0001.0001.000
Vida útil de la bombilla (años) a 6 horas/día22.86.89.14.611.44.60,460,46
Coste energético a lo largo de 20 años : 16,1 céntimos/kWh [97]$28$46$63$60$67$99$303$423
Coste de las bombillas a lo largo de 20  años$7$10$5$13$8$8$51$18
Costo total en 20  años$35$56$69$73$75$106$355$441
Coste total por 860  lúmenes$36$60$73$78$79$118$407$441
Comparación basada en 6 horas de uso al día (43.800 horas en 20 años)

En consonancia con la larga vida útil que se afirma que tienen las lámparas LED, se ofrecen garantías prolongadas. Sin embargo, actualmente no existen procedimientos de prueba estandarizados establecidos por el Departamento de Energía de los Estados Unidos para demostrar estas afirmaciones de cada fabricante. [98] Se afirma que una lámpara LED doméstica típica tiene una "vida útil promedio" de 15.000 horas (15 años a 3 horas/día) y admite 50.000 ciclos de encendido. [99]

Las lámparas incandescentes y halógenas tienen naturalmente un factor de potencia de 1, pero las lámparas fluorescentes compactas y LED utilizan rectificadores de entrada y esto provoca factores de potencia más bajos. Los factores de potencia bajos pueden resultar en recargos para los usuarios de energía comercial; las lámparas CFL y LED están disponibles con circuitos de controlador para proporcionar cualquier factor de potencia deseado, o se puede realizar una corrección del factor de potencia en todo el sitio . Las normas de la UE requieren un factor de potencia mejor que 0,4 para potencias de lámpara entre 2 y 5 vatios, mejor que 0,5 para potencias de lámpara entre 5 y 25 vatios y por encima de 0,9 para lámparas de mayor potencia. [100] [101]

Calificación Energy Star

Energy Star es un estándar internacional para productos de consumo energéticamente eficientes . [102] [103] Los dispositivos que llevan la marca de servicio Energy Star generalmente consumen entre un 20 y un 30 % menos de energía que lo requerido por los estándares estadounidenses. [104]

Calificaciones LED Energy Star : [105]

  • Reduce los costos de energía: utiliza al menos un 75% menos de energía que la iluminación incandescente , lo que permite ahorrar en gastos operativos.
  • Reduce los costos de mantenimiento: dura entre 35 y 50 veces más que la iluminación incandescente y entre 2 y 5 veces más que la iluminación fluorescente. No es necesario reemplazar lámparas, ni usar escaleras, ni realizar un programa de eliminación de desechos continuo.
  • Reduce los costos de refrigeración: los LED producen muy poco calor.
  • Está garantizado: viene con una garantía mínima de tres años, mucho más allá del estándar de la industria.
  • Ofrece funciones convenientes: disponible con atenuación en algunos modelos de interior y apagado automático de la luz del día y sensores de movimiento en algunos modelos de exterior.
  • Es duradero: no se rompe como una bombilla de vidrio.

Para calificar para la certificación Energy Star, los productos de iluminación LED deben pasar una variedad de pruebas para demostrar que los productos mostrarán las siguientes características:

  • El brillo es igual o mayor que el de las tecnologías de iluminación existentes (incandescente o fluorescente) y la luz está bien distribuida sobre el área iluminada por la luminaria.
  • La emisión de luz permanece constante a lo largo del tiempo y solo disminuye hacia el final de su vida útil nominal (al menos 35 000 horas o 12 años en función de un uso de 8 horas por día).
  • Excelente calidad de color. El tono de luz blanca se ve claro y consistente a lo largo del tiempo.
  • La eficiencia es tan buena o mejor que la de la iluminación fluorescente.
  • La luz se enciende instantáneamente cuando se enciende.
  • No parpadea cuando está atenuado.
  • Sin consumo de energía cuando está apagado. El dispositivo no consume energía cuando está apagado, con excepción de los controles externos, cuya potencia no debe superar los 0,5 vatios cuando está apagado.
  • Factor de potencia de al menos 0,7 para todas las lámparas de 5 W o más.

Limitaciones

Los emisores LED son inherentemente adecuados para la atenuación, ya que pueden funcionar en un amplio rango de corrientes sin cambios significativos de color. Sin embargo, los circuitos de las lámparas LED deben estar diseñados explícitamente para ser regulables y compatibles con tipos particulares de interruptores de atenuación. [106] De lo contrario, pueden producirse daños en la lámpara o en el atenuador.

Matriz de LED con temperatura de color variable en un proyector

La reproducción cromática no es idéntica a la de las lámparas incandescentes, que emiten una radiación de cuerpo negro casi perfecta , como lo hace el sol. Se utiliza una unidad de medida denominada IRC para registrar cómo una fuente de luz reproduce ocho chips de muestra de color, en una escala de 0 a 100. [107] Los LED con IRC inferior a 75 no se recomiendan para su uso en iluminación interior. [108]

Las lámparas LED mal diseñadas pueden parpadear. El efecto se puede ver en un video en cámara lenta de una lámpara de este tipo. El grado de parpadeo depende de la calidad de la fuente de alimentación de CC incorporada a la estructura de la lámpara, que normalmente se encuentra en la base de la lámpara. Las exposiciones prolongadas a la luz parpadeante contribuyen a los dolores de cabeza y a la fatiga visual. [109] [110] [111]

La vida útil de los LED en función del mantenimiento del flujo luminoso disminuye a temperaturas más altas. La gestión térmica de los LED de alta potencia es un factor importante en el diseño de equipos de iluminación de estado sólido. Las lámparas LED son sensibles al calor excesivo, como la mayoría de los componentes electrónicos de estado sólido . Además, la presencia de compuestos orgánicos volátiles incompatibles puede perjudicar el rendimiento y reducir la vida útil. [112]

La larga vida útil de los LED, que se espera sea aproximadamente 50 veces mayor que la de las lámparas incandescentes más comunes y significativamente más larga que la de los tipos fluorescentes, es ventajosa para los usuarios pero afectará a los fabricantes ya que reduce el mercado de reemplazos en el futuro lejano. [18]

El ritmo circadiano humano puede verse afectado por las fuentes de luz. [113] [114] La temperatura de color efectiva de la luz del día es de ~5700 K [115] (blanco azulado), mientras que las lámparas de tungsteno son de ~2700 K (amarillo). [116] Las personas que tienen trastornos del sueño relacionados con el ritmo circadiano a veces reciben tratamiento con fototerapia (exposición a una luz blanca azulada intensa durante el día) y terapia de oscuridad (uso de gafas de color ámbar por la noche para reducir la luz azulada). [117] [118] [119]

Algunas organizaciones recomiendan que las personas no utilicen lámparas de color blanco azulado por la noche. La Asociación Médica Estadounidense se opone al uso de LED de color blanco azulado para el alumbrado público municipal. [120]

Las investigaciones sugieren que el cambio al alumbrado público LED atrae un 48% más de insectos voladores que las lámparas HPS , lo que podría causar impactos ecológicos directos, así como impactos indirectos, como atraer más polillas gitanas a las zonas portuarias. [121]

Véase también

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Lectura adicional

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