Luminarias de nueva generación

Juv. Tec. Digital, 28 Octubre, 2008

Aún no acabamos de acostumbrarnos a los ‘bombillos ahorradores’ y ya se nos echa encima la nueva generación de luminarias, los bombillos LED, del inglés ‘Light Emission Diode’ ó Diodo Emisor de Luz.

En estas luminarias, cada ‘bombillo’ está en realidad constituido por muchos “bombillitos” o LEDs, cuya luminosidad se suma hasta ser suficiente para un alumbrado normal.  Los LED se han venido utilizando desde hace años como indicadores en equipos de radio, TV, relojes, videos y computadoras, pero su costo no les permitía rivalizar con las luminarias convencionales en otras aplicaciones. Sin embargo, el precio ha ido disminuyendo lo suficiente como para que ya sean capaces de competir seriamente en el mercado.  Hay modelos tanto para baterías como para corriente alterna convencional de 110 ó 220 volt.  Un precio típico de un bombillo LED de baja potencia en el mercado minorista europeo es de unos 3 euros aunque, desde luego, hay modelos de muy diversos tipos, tamaños, potencias y precios.

Una unidad común de medida para medir la eficiencia de cualquier luminaria es el lumen/watt; el lumen mide la intensidad luminosa y el watt la cantidad de energía por unidad de tiempo que hay que gastar para generar esa intensidad.  Los ‘ahorradores’ –en realidad lámparas fluorescentes compactas (LFC), similares en su funcionamiento a los tubos de luz fría– generan de 48 a 60 lumen/watt.  Su eficiencia, también comparable a la de los tubos de luz fría, es mucho mayor que la de los antiguos bombillos incandescentes (6-17 lumen/watt). 

La eficiencia promedio de un bombillo LED es algo menor que la de un ‘ahorrador’ (unos 30 lumen/watt) aunque ya hay lámparas que generan hasta 100 lumen/watt, pero con un precio que puede resultar prohibitivo.  Por ejemplo, un LED de 8 watt con el mismo poder de iluminación que un incandescente de 60 watt cuesta hoy día 120 USD.

A cambio de este alto precio el fabricante garantiza 30 000 horas de servicio (7 años a 12 horas diarias). Otros mencionan hasta 50 000 y 60 000 horas de uso efectivo.  Ventajas adicionales son la resistencia a los golpes y a los cambios de temperatura, la ausencia de filamentos y ruido (recordar la vibración de algunas lámparas de luz fría), encienden al instante y pueden trabajar directamente con bajo voltaje.

Su empleo resulta ser más eficaz en sistemas que sean difíciles de sustituir o reparar, o que estén sometidos a golpes o vibraciones y que no requieran gran luminosidad como, por ejemplo, semáforos y señales de tránsito en carreteras o sistemas ferroviarios, automóviles, bicicletas, linternas, interior de viviendas, anuncios y carteleras, escenarios, galerías e iluminación externa de edificios.  Para trabajar a voltajes comerciales usualmente se añade un circuito miniaturizado resistor-capacitor-rectificador encapsulado en la misma lámpara, con el fin de reducir el voltaje a niveles adecuados.

¿Cómo funciona un LED?

El diodo emisor de luz funciona a partir del fenómeno conocido como ‘recombinación del par electrón-hueco’ en una juntura PN.

Si a un material semiconductor como el arseniuro de aluminio-galio (AlGaAs) se le adiciona una pequeñísima cantidad de algún elemento con electrones adicionales a los necesarios para formar un enlace normal, se forma un semiconductor de tipo “n” o negativo.  Los electrones en exceso, débilmente ligados a los núcleos atómicos, incrementan la conductividad eléctrica del material.  Si a ese mismo material se le adicionan impurezas con defecto de electrones, se forma un semiconductor de tipo “p” o positivo, pues la ausencia de un electrón da origen a una carga positiva en exceso o “hueco” en el material original. El exceso de huecos en el material también origina un aumento de la conductividad eléctrica, pues facilita la movilidad de los electrones restantes al proporcionar lugares ‘vacíos’ donde el electrón puede ‘saltar’ fácilmente.

Cuando los materiales de tipo n y p se unen íntimamente mediante técnicas especiales, se forma una juntura PN.   Los electrones con carga (-) que se encuentran cercanos a la frontera del material tipo n se recombinan con los huecos con carga (+) en la frontera del material tipo p. La recombinación dura sólo fracciones de segundo, pues inmediatamente se establece un equilibrio eléctrico entre los electrones, los huecos y los átomos del substrato semiconductor original, que impide cualquier recombinación adicional.  Se crean así tres regiones bien diferenciadas en la juntura: la región n, la p y una región de transición intermedia, la ‘barrera’ aislante (de unas pocas capas atómicas de espesor, ver figura). Para hacer pasar un electrón (o un hueco) adicional a través de la barrera hay que hacer un trabajo contra las fuerzas ejercidas por los núcleos atómicos del material soporte (el AlGaAs con las impurezas correspondientes).

Izq. Juntura PN.   Der. Al recombinarse un par electrón-hueco se emite un fotón o cuanto de luz.

Es posible vencer la oposición de la barrera usando una pila o batería para aplicar una diferencia de potencial mediante electrodos colocados en los extremos (el borne positivo de la batería se conecta a la región p).  Con este procedimiento se logra que los electrones ‘salten’ la barrera, se cierre el circuito y se establezca una corriente eléctrica continua.  Así se logra la recombinación ininterrumpida de electrones y huecos, y como cada recombinación tiene asociada la emisión de un fotón o cuanto de luz, durante el proceso se genera luz visible. 

Los valores típicos de la corriente oscilan entre 2 y 20 mA. (Note que los electrones no desaparecen, sino que sencillamente pasan a ocupar un ‘hueco’ durante su recorrido y siguen contribuyendo a la corriente).

Cuando la batería se conecta con la polaridad invertida, los electrones son atraídos hacia el contacto más cercano y los huecos hacia el opuesto: la corriente no pasa y no hay luz.  De hecho, la primera aplicación de las junturas PN fue en dispositivos rectificadores de la corriente alterna, ya que solo dejan pasar la corriente del lado P hacia el N y no en sentido contrario, -siempre que la diferencia de potencial inverso no sea excesivamente grande (entre  2 y 5 volt máximo).

Variando los materiales del substrato y las impurezas se pueden lograr LEDs que emitan luz de diferentes colores, en un intervalo que varía desde el infrarrojo (como en los mandos de los televisores) hasta el ultravioleta, pasando por todo el espectro visible.  La obtención de luz blanca es relativamente reciente, e involucra técnicas como la de usar un LED ultravioleta para excitar una mezcla adecuada de sustancias fluorescentes, que a su vez emiten una combinación de muchos colores del espectro (luz blanca), similar a lo que ocurre en los tubos de luz fría.