Conceptos de iluminación. El uso de LED
como elemento de iluminación
1. Conceptos de iluminación 1.1. Qué es la luz?
Se llama “luz” al conjunto de señales electromagnéticas que pueden ser detectadas por la capacidad sensorial del ojo humano. Ello corresponde aproximadamente a frecuencias de 400 a 700 nanómetros (nm) de longitud de onda. Dado que ciertos componentes electrónicos pueden emitir radiación en la vecindad de este rango de frecuencias suele también hablarse de luz ultravioleta (con longitud de onda menor a 400 nm), y de luz infrarroja (con longitud de onda mayor a 700 nm), aunque no sean emisiones visibles.
1.2. Bases de iluminación. Definiciones y unidades.
Al igual que en cualquier fuente de radiación, que emita una dada potencia radiante (potencia radiante o flujo radiante, medida en watts), su “intensidad” se mide en potencia por unidad de área (watts por metro cuadrado).
Estas unidades no son adecuadas para medir la sensación visual de “brillo”, que depende de otros factores:
• Cuánto de la energía emitida es percibida como luz visible. Usualmente, no toda la energía observada cae dentro del espectro visible (una lámpara incandescente, por ejemplo, emite la mayor parte de la energía en el espectro infrarrojo, y sólo una fracción como luz visible).
• Aunque sea visible, la misma potencia en distintas frecuencias de luz provoca distinta sensación de brillo; una lámpara emitiendo 1W de luz amarilla es percibida como más brillante que una que emita 1W de luz azul.
• Cuánto de la energía luminosa es dirigida hacia el observador, lo que depende de características constructivas de la fuente luminosa.
Para poder entender a las unidades empleadas para medir los aspectos referentes a iluminación, es necesario comprender el concepto de “ángulo sólido”, recordando que el área de una esfera es 4.Pi.r2 (4.Pi = 12,57 si r=1).
Si uno imagina una esfera de radio=1 y un cono cuyo vértice está en el centro de la esfera, de un tamaño tal que (4.Pi) de estos conos completan la esfera, el cono representa un ángulo sólido (3D) de un steradian (sr), o equivalentemente, el ángulo sólido de la esfera completa es de 4.Pi steradianes. Así como un radián describe la región del plano entre dos semirectas que parten de un vértice, el steradián describe una región del espacio; y si esa región tiene forma cónica, 1 sr corresponde a un cono con un ángulo de algo menos de 33 grados entre su directriz y su generatriz.
La “intensidad radiante” es el “flujo por steradián”, es decir el flujo radiante total dividido por 4.Pi.
Flujo luminoso (F) e intensidad luminosa son medidas equivalentes a flujo radiante e intensidad radiante, sólo que afectadas por la curva de sensibilidad (también llamada eficiencia luminosa) del ojo humano. En el caso de una señal de 555 nm de longitud
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de onda, el factor de conversión es 1, pero para señales de mayor o menor frecuencia el valor es menor a 1, y se hace 0 cuando se llega a los infrarrojos o a los ultravioletas. El flujo luminoso es medido en lumen (lm), y la intensidad luminosa en lumen por
steradian, o candela (1 cd = 1 lm/sr, y 1mcd = 1cd/1000). El flujo luminoso de un lumen
(1 lm) se define como la cantidad de luz emitida por una superficie de 1/60 cm² de platino puro, a su temperatura de fusión (alrededor de 1770°C), dentro de un ángulo solido de 1 sr. Por ejemplo, el flujo luminoso de una lámpara incandescente de 40-watt es de cerca de 500 lm, y el de un tubo fluorescente de 40-watt es de cerca de 2300 lm. La frase “intensidad luminosa” puede ser malinterpretada, y vale recalcar que en un dado ángulo sólido, si bien la intensidad de la radiación en un punto disminuye con el cuadrado de la distancia a medida que ésta aumenta, la superficie de la intersección entre el ángulo sólido y la esfera aumenta con el cuadrado de la distancia, con lo que la “intensidad luminosa” se mantiene. Es decir, la “intensidad luminosa” es flujo por unidad de ángulo sólido, no por unidad de área, y no cambia con la distancia.
Cuando la fuente luminosa no irradia en forma pareja en todas las direcciones, la
intensidad luminosa es función de la posición del observador en relación a la posición
de la fuente luminosa, y se emplean gráficos para indicar el diagrama de irradiación. Cuando el flujo luminoso incide en una superficie, la intensidad con que cada unidad de superficie es iluminada (“iluminancia”, o flujo luminoso por unidad de área) se mide en la unidad llamada lux, que corresponde a 1 lux = 1 lm/m². En un día a sol pleno la iluminancia puede ser de hasta 10.000 lux, un día nublado de 1.000 lux, en una playa de estacionamiento iluminada por la noche de 10 lux, y la luz de la luna de 0,1 lux.
Por ejemplo, si una lámpara emite un flujo luminoso de 1200 lm, uniformemente distribuido en una semiesfera, la intensidad luminosa será de 1200/2Pi = 191 lm/sr = 191 candelas, independientemente de la distancia a la que esté. En cambio, mientras que la iluminancia a 1m de distancia es de 191 lux, a 5 m será 1/25avo de ese valor, es decir sólo 7.64 lux.
1.3. Espectro visible. Diagrama de cromaticidad
Se denomina
espectro visible a la
región del espectro electromagnético que es capaz de percibir el ojo humano. A la radiación en este rango de longitudes de onda se le llama
luz visible. No hay
límites exactos: un ojo humano típico detecta longitudes de onda de 400 a 700 nm, pero algunas personas son
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capaces de percibir longitudes de onda en rangos algo más amplios.
Una fuente de luz se dice monocromática cuando corresponde a una franja muy estrecha de longitudes de onda (como sucede en el caso de los láser), aunque en general las fuentes luminosas que importan en iluminación tienen una combinación de componentes de múltiples longitudes de onda e intensidad, por lo que requiere una forma de definición más compleja.
A partir del hecho biológico que el ojo humano tiene sensores sensibles a tres diferentes tipos de color (conos), un color se describe en base a un
estímulo triple estándar
dado por tres valores X, Y, Z.
El espectro de cada uno de los estímulos fué definida en 1931 por la CIE, donde el valor Y coincide con la
eficiencia luminosa de
los ojos (la relación entre intensidad luminosa e intensidad radiante). La definición de 1931 fué cambiada en 1960 y luego en 1976, pero la primera suele seguir siendo la más usada.
Si se describe una señal de energía tal que X+Y+Z=1 (ecuación de un plano en el espacio 3D), se pueden definir los colores en base a sólo dos coordenadas x e y, generando el diagrama de cromaticidad. Este diagrama depende de las funciones X, Y y Z mencionadas, por lo que no puede representar cualquier color en forma absoluta (es posible ver que no puede ser usado para representar un color monocromático), sino que busca representar como ese color es percibido por el ojo humano.
Un problema adicional aparece cuando se desea reproducir un color mediante tres
fuentes luminosas (por ejemplo, usando LED de 3 colores), dado que la emisión de cada LED no sigue ninguna de las curvas X, Y o Z, y por tanto la respuesta obtenida es sólo una aproximación.
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Si la distribución de los colores visibles sobre ese plano se proyecta sobre las coordenadas
X e Y, se tiene el diagrama de la
figura (según las funciones definidas en 1931).
Los bordes de este diagrama muestran como el ojo percibe a colores puros (monocromáticos) de la longitud de onda que se indica, y los colores interiores aquellos colores resultantes de la mezcla de componentes.
La línea negra interna representa el color resultante de la emisión de un cuerpo negro a la temperatura indicada (Planckian
locus). Esta curva atraviesa los
rojos para “bajas temperaturas”, atraviesa a zona de los blancos
para temperaturas alrededor de 6000ºK (desde un blanco más amarillento a uno más azulado), y luego sigue cambiando hacia el azul; según la CIE se define el color “blanco” como el correspondiente a una temperatura de 6447ºK. El color de la luz solar es de 5780ºK.
Cuando dos colores son sumados el color resultante está en la línea que une esos puntos, y su posición en esa línea depende de la intensidad relativa entre los colores; de igual modo, si se dispone de tres posibles colores a sumar con distinta intensidad, es posible generar los colores incluidos dentro de un área triangular (Maxwell
aditive color-mixing triangle). Si
se nota que en los extremos del diagrama los colores dominantes son Rojo, Verde y Azul, ello permite entender porqué son empleados como colores base. En la imagen se observa el área del diagrama de cromaticidad
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en tres colores (los vértices del triángulo). La imagen pone en evidencia que no todos los colores capaces de ser observados por el ojo humano pueden ser reproducidos por el monitor.
Finalmente, vale mencionar los conceptos de “matiz” y “saturación” de un color. Mientras el matiz indica la longitud de onda predominante de ese color la saturación indica la pureza espectral del mismo. Dado un color en el diagrama, si se dibuja la línea que parte del blanco, atraviesa ese color y llega al límite del diagrama, la longitud de onda del borde indica el matiz, y cuán alejado esté el color del borde su saturación (el blanco, por tanto, es el color de máxima saturación).
2. Qué es y cómo funciona un LED.
En un átomo, los electrones no se encuentran al azar, sino en niveles cuánticos establecidos. Un electrón absorbe una cuota determinada de energía para saltar de un nivel inferior a uno superior, y lo emite cuando regresa al nivel inferior.
Un principio de la física cuántica determina cuál es la frecuencia específica de emisión asociada a un determinado salto del niveles. Cada elemento primario, aislado, tiene por tanto su propia “firma” (combinación de posibles frecuencias de
emisión), y esto es usado en el análisis espectrográfico.
Los electrones que atraviesan una juntura semiconductora (un diodo) también experimentan saltos de energía entre niveles, cuyas frecuencias de emisión dependen de los materiales y la estructura cristalina del material semiconductor. Mientras que en una juntura de silicio la caída de potencial entrega energía que es luego emitida en forma de calor, con ciertas combinaciones de semiconductores (con mayor caída de potencial en la juntura), los saltos de nivel son de mayor energía, y sus emisiones entran dentro del espectro de la luz visible; ésta es la propiedad usada para fabricar los LED (light-emitting diode).
2.1. Materiales y colores:
En general, los materiales empleados son el Arsénico (As), Galio (Ga), Fósforo (P), Nitrógeno (N), Aluminio (Al), Carbón (C), Indio (In) y eventualmente otros materiales, y con ellos se fabrican LED cuyas emisiones cubren desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, como se observa en la tabla siguiente:
Longitud de
onda - nm Rango Caída de voltaje Intensidad Material
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880 Infrarrojo 1.7 18mW @50mA GaAIAs / GaAs
850 Infrarrojo 1.7 26mW @50mA GaAIAs / GaAs
660 Rojo profundo 1.8 2000mcd @50mA GaAIAs / GaAs
635 Rojo Alta Eficiencia 2.0 200mcd @20mA GaAsP / GaP
633 Rojo 2.2 3500mcd @20mA InGaAIP
620 Naranja 2.2 4500mcd @20mA InGaAIP
612 Naranja 2.2 6500mcd @20mA InGaAIP
605 Naranja 2.1 160mcd @20mA GaAsP / GaP
595 Amarillo 2.2 5500mcd @20mA InGaAIP
592 Amarillo Puro 2.1 7000mcd @20mA InGaAIP
585 Amarillo 2.1 100mcd @20mA GaAsP / GaP
4500K Blanco Tibio 3.6 2000mcd @20mA SiC / GaN
6500K Blanco neutro 3.6 4000mcd @20mA SiC / GaN
8000K Blanco frío 3.6 6000mcd @20mA SiC / GaN
574 Amarillo Lima 2.4 1000mcd @20mA InGaAIP
570 Verde amarillento 2.0 1000mcd @20mA InGaAIP
565 Verde alta eficiencia 2.1 200mcd @20mA GaP / GaP Phosphide
560 Verde puro 2.1 350mcd @20mA InGaAIP
555 Verde puro 2.1 80mcd @20mA GaP / GaP Phosphide
525 Verde agua 3.5 10,000mcd @20mA SiC / GaN
505 Verde azulado 3.5 2000mcd @20mA SiC / GaN
470 Azul 3.6 3000mcd @20mA SiC / GaN
430 Ultra Azul 3.8 100mcd @20mA SiC / GaN
2.2. El color de los LED:
Los LEDs han sido tradicionalmente de color rojo, naranja, amarillo y verde, pero desde hace pocos años también se dispone de ellos en azul y en blanco.
También existen combinaciones múltiples de LED. como los LED bicolores, fabricados en base a diodos de dos colores montados en oposición en un encapsulado común, y los tricolores, también con dos diodos pero con sólo un terminal común, de modo que es posible generar un tercer color excitando ambos diodos. Asimismo existen dispositivos con diodos de tres colores (Rojo, Verde,Azul), como el de la figura, con cuya combinación es posible generar toda una gama de colores.
2.3. Ancho espectral de los LED:
En general, los LED suelen ser fuentes emisoras de luz de baja saturación; es decir, su espectro de emisión está bastante concentrado alrededor de la frecuencia central; esta es una diferencia importante respecto a las lámparas incandescentes, que posee un ancho espectral muy grande.
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Para describir el ancho de la curva de emisión donde la intensidad de emisión cae a un 50% se usa un parámetro llamado Spectral line half-width. Para un LED típico de color verde el pico de emisión es de alrededor de 565 nm, pero emite luz desde 520 nm a 610 nm, y su Spectral line half-width es de cerca de 30 nm.
2.4. La direccionalidad de los LED:
Otra característica distintiva de los LED respecto a las lámparas incandescentes es su elevada direccionalidad.
Debido a la técnica de fabricación del LED y al encapsulado, que opera como lente, en los LED el flujo radiante suele concentrarse en un haz de ancho angular reducido, con valores típicos entre +/-60º y +/-15º. Este ángulo se indica en las hojas de datos como 2Θ1/2 y se mide entre
aquellos ángulos en que la intensidad cae a un 50% del valor máximo (a los fines de cálculo, un haz cónico de ancho angular “alfa” radianes, corresponde a un ángulo sólido de 2.Pi.(1-cos(alfa/2)) steradianes).
En muchos casos la óptica del LED se diseña para que el flujo tenga distribución uniforme alrededor de un eje. Sin embargo, en los llamados “oval LED” esta distribución es más angosta en un eje y más ancha en el eje perpendicular (por ejemplo, 120º en horizontal y sólo 40º en vertical, como suele usarse en carteles de LED o en luces de vehículos). Esta asimetría permite aprovechar mejor la energía luminosa al dirigirla hacia los observadores, y no en todas direcciones.
El diagrama de irradiación es importante para elegir y/o comparar LED en aplicaciones de iluminación; por ejemplo:
• un LED de 20º y 3000 mcd emite la misma cantidad de lumen que un LED de 40º y 12000mcd
• un led Harvatek HT-D476TWV-PVPW-DG de color blanco puro y 5W emite 150 lumen con un ángulo de +/-30º (0,84sr), lo que en el punto de máxima intensidad equivale a una lámpara incandescente de 130W emitiendo 2250 lumen en forma omnidireccional.
• Un LED oval 40ºVx120ºH es percibido por el observador ubicado en el eje horizontal como tres veces más brillante que otro de idéntico flujo luminoso pero diagrama de irradiación uniforme de 120º.
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2.5. Especificaciones importantes para la elección y excitación de un LED
La enorme cantidad de fabricantes de LED, y de empresas que encapsulan los die de LED en montajes especiales hace que la elección del componente adecuado para un producto sea compleja. Desgraciadamente muchos fabricantes dan información limitada o casi nula sobre los productos que ofrecen, y muchas veces la elección se hace sólo por razones de costo, con degradación de la calidad del producto final y de su vida útil.
2.5.1. Para la selección:
• Frecuencia pico y Spectral line half-width: Influencia térmica: estas características son críticas en displays multiLED, donde la variación de matiz entre distintos diodos resulta muy notoria. En el caso de los diodos blancos, la variación del matiz hacia el azul o el amarillo según las condiciones ambientales puede ser evidente. • Diagrama de irradiación: según la ubicación del LED puede ser conveniente que se
lo vea desde variados ángulos, o por el contrario, que la luz se enfoque sólo en ciertas direcciones preferenciales (como hacen los LED ovales). Esta decisión tiene además fuerte influencia en el consumo de potencia y por ende en el diseño de los circuitos de excitación y las fuentes de alimentación.
• Intensidad luminosa: la intensidad luminosa máxima posible de obtener de un LED es importante en aplicaciones de iluminación, o en el caso de indicadores que deben poder verse en condiciones de alta iluminación ambiental. Vale destacar los últimos avances notables en el área de potencia lumínica, que permiten plantear su uso en aplicaciones de iluminación.
• Dispersión: esta característica es sumamente importante en el caso de displays de calidad con múltiples LED. Por razones de fabricación, los diodos semiconductores tienen una importante dispersión, y en el caso de los LED está dispersión se traduce en importantes variaciones de intensidad para una misma excitación. Los fabricantes más serios realizan una clasificación (binning) de diodos de performance similar, que forma parte del código del producto.
• Forma de montaje: además de los tradicionales LED de inserción de 5mm y 3mm, hoy son disponibles otros montajes de inserción, y encapsulados de montales superficial, ya sea PLCC o con los formatos 1206, 0805, etc. En el caso de los LED de potencia SMD el respaldo del LED suele ser metalizado, de modo de soldarlo al circuito impreso, y usar al PCB como disipador. En otros casos los LED de potencia tienen un orificio para su fijación mediante tornillos a un disipador.
• Vida útil: los LED se construyen encapsulando al chip en una base epoxy, que hace de base y de lente, y sus terminales internos son conectados a los externos mediante epoxy conductivo e hilos de oro. Cuando un LED sufre variaciones térmicas estas uniones son sometidas a distintas dilataciones y procesos de fatiga térmica, que a la larga pueden llevar a un circuito abierto. En ensayos térmicos, la empresa AVAGO Technologies ha probado a sus LED muchos miles de ciclos térmicos desde -55ºC a +100ºC. En esos ensayos, en los casos en que la temperatura ha superado los 100ºC la estadística muestra un elevado incremento en la tasa de fallas: en el rango de 100ºC a 115ºC cada incremento en la temperatura máxima de 5ºC disminuye la cantidad de ciclos tolerables antes de una falla en 5 veces!!
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2.5.2. Para la excitación:
La nota de aplicación “AN-1005: Operational Considerations for LED Lamps and Display Devices” de Avago (en http://www.avagotech.com) es sumamente ilustrativa sobre los parámetros a tener en cuenta para excitar un LED, en este caso un LED rojo de alta eficiencia y 200mcd:
2.5.2.1. Caída de voltaje vs. corriente de excitación La relación V/I de un diodo es fundamental a la hora de diseñar el circuito de excitación. Dado que la intensidad es casi lineal con la corriente, el incremento de voltaje al aumentar la corriente se traduce en una pérdida de eficiencia de conversión de potencia eléctrica a potencia lumínica. Este factor es importante al trabajar con corrientes pulsadas en los diodos de alta intensidad, y al diseñar los circuitos de disipación de potencia, a fin de mantener la vida útil.
2.5.2.2. Variación de la intensidad luminosa en función de la corriente
El gráfico evidencia la relación casi lineal entre la corriente del LED y la intensidad luminosa.
Es importante notar que el fabricante sólo muestra las curvas (y por ende sugiere su uso) hasta sólo un 2,4 veces la corriente nominal. En el caso de operación multiplexada con relación de trabajo menor al 42% ello indica que el LED no podrá ser aprovechado a su máxima potencia nominal sin estar usándolo fuera de especificaciones.
2.5.2.3. Características de operación continua y pulsada
Los conos y bastoncillos en la retina del ojo tienen una respuesta en frecuencia dada por la “persistencia de la retina”, en la que una imagen (por más que sólo hya sido vista por sólo unos pocos milisegundos) permanece visible por un tiempo de 20 a 30 milisegundos. Este efecto, aprovechado por el cine para dar sensación de continuidad, puede ser usado si un LED se opera en forma pulsada, con una frecuencia mejor que 33 Hertz (en general, se recomienda mejor que 100Hz).
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El uso pulsado de un LED es útil cuando se emplean circuitos de multiplexado (como se verán en el siguiente artículo) aunque la operación continua sea mucho mejor, tanto por efectos térmicos como de rendimiento. Cuando un LED opera en forma pulsada, es la temperatura pico de la juntura (y NO la temperatura media) quien define la performance y la vida útil del componente. Para frecuencias de multiplexado menores a 1kHz esta temperatura pico es mayor que la temperatura media, y para frecuencias mayores el problema empieza a estar asociado a la disipación de potencia de los circuitos de multiplexado (además, también hay un problema de respuesta de frecuencia de la retina a impulsos de luz demasiado breves). En general, un buen diseño multiplexado implica una decisión de compromiso cuyo rango de frecuencia suele estar entre 100Hz y 1kHz.
2.5.2.4. Disipación térmica
Si bien en aplicaciones de baja intensidad el problema puede ser a veces ignorado (aunque sólo a veces), en aplicaciones con LED de alta intensidad la disipación térmica es un factor de importancia crítica. La corriente directa aparente (continua o pulsada) y la temperatura ambiente determinan rangos válidos de operación cuyo incumplimiento llevan a la degradación (derating) del componente y acortamiento de su vida útil.
En esos casos es imprescindible la adecuada caracterización de las resistencias térmicas
involucradas, de modo de garantizar una operación con una temperatura pico menor a la máxima recomendada (usualmente, alrededor de 100ºC).
La temperatura no sólo afecta la vida útil sino que altera colores y corrientes. La intensidad luminosa de un LED cae con la temperatura, con una dependencia térmica de la forma exp [ k.( T-Ta)], con k negativo y en el orden -0.01/ºC. Esto es crítico en aplicaciones expuestas a condiciones ambientales (outdoor) en que una mayor temperatura (cerca del mediodía, con máxima iluminación externa) disminuye la intensidad irradiada y por lo tanto el contraste.
3. Conclusiones
Este artículo intenta presentar los puntos a tener en cuenta al emplear diodos LED en aplicaciones de iluminación. El siguiente artículo se dedicará a mostrar los circuitos electrónicos y técnicas convenientes para su excitación y multiplexado, en distintas aplicaciones.
Para más información, contactarse con el Departamento de Ingeniería de ELKO Componentes Electrónicos S.A.
