QUÈ EN SAP DELS LEDs?

Li expliquem com funcionen i els seus possibles usos

Ús de la il·luminació amb tecnologia LED

El què en diem pròpiament led és el xip semiconductor; aquest semiconductor té una mida molt reduïda. Els leds utilitzats majoritàriament solen usar xips de 270um (micròmetres), (aproximadament 1 / 3 de mm), els d’alta potència, sobre base d’1 mm de costat. Hem de tenir en compte aquesta mida tan reduïda per entendre les dificultats dels leds amb el calor, doncs tot el calor generat ho és en aquesta superfície tan reduïda, i per tant assoleix altes temperatures en un punt molt concret.

El color d’aquesta llum està íntimament lligat a la composició i estructura química del semiconductor usat, especialment als materials “dopants” i les seves proporcions. D’aquesta manera, el LED emet llum en una banda generalment reduïda, habitualment menor de 80nm, emetent la major part de la llum en una banda estreta de 20-30nm. Per això es diu que els leds són quasi monocromàtics, pel que fa a altres fonts lluminoses, com els díodes làser o les làmpades LPS que emeten llum monocromàtica (1nm, 2nm com a màxim).

En termes d’eficiència energètica, les làmpades d’il·luminació nocturna amb tecnologia LED proporcionen un estalvi, en comparació amb les làmpades de vapor de sodi a alta pressió, que van des d’un 25% a 60%.

Els avantatges de la tecnologia LED
Són tantes com per produir un enorme canvi.

Aquesta tecnologia (implementat per Hewlett Packard ja fa més de 40 anys i que s’ha utilitzat fins ara en les impressores) ha estat objecte recentment d’un creixement radical a causa dels resultats de la investigació científica. Aquests resultats han portat al desenvolupament de fonts de llum LED de mida petita (una característica típica dels LEDs), però amb una densitat d’energia molt alta i de la generació de llum d’alt rendiment (en l’actualitat ja igual a 140 lúmens per vat).

La peculiaritat, però, que més diferencia aquesta tecnologia d’il·luminació als ulls dels profans es vincula al fet que les fonts de llum LED no generen directament llum blanca, sinó que aquest blanc s’obté a través de la síntesi dels tres colors primaris additius (d’aquí la definició de RGB: Red-vermell, Green-verd, Blue-blau). Això proporciona una millor qualitat de la llum, essent capaços de generar qualsevol color desitjat a través de la dosi adequada de les tres principals fonts de color. Això li permet crear efectes de color d’alt impacte visual, no essent possible amb les tecnologies d’il·luminació actual.

En termes d’energia, la tecnologia LED també ens proporciona estalvis considerables, sense entrar en detriment del rendiment de la làmpada.

Les inicials LED signifiquen Light Emitting Diode traduït al català com a Díode emissor de llum.

Un díode és un component electrònic que només deixa passar el corrent en una direcció. En el cas dels LEDs, el pas de corrent produeix l’emissió de llum.

emissio-llum-enercat

La tecnologia d’il·luminació LED substituirà la tecnologia actual que utilitza làmpades de descàrrega de gas, amb una revolució en el procés d’il·luminació residencial, industrial i d’enllumenat exterior comparable – en grandària i magnitud dels efectes – el canvi de la llum de gas a la bombeta d’Edison, que va tenir lloc al segle XIX.

Comparació del tamany d'un Led

Comparació del tamany d'un Led

CARACTERÍSTIQUES DE LA LLUM LED PER IL·LUMINACIÓ

El nou estàndard de IESNA / ANSI (Illuminating Engineering Society Standards from American – Institut Nacional d’Estàndards Americà) defineix un mètode per al disseny de carreteres i ambients en l’enllumenat exterior.

intensitat-radiació-enercatAquest estàndard té com objectiu assegurar la quantitat de llum emesa per una lluminària (tal i com s’ha contemplat sempre) i com a concepte innovador cal també tenir en compte la visibilitat que percep la persona. Aquest estàndard  també considera altres factors com per exemple la distribució espectral de les fonts d’emissió, que és un factor important en la visió nocturna que augmenta la seguretat sense la necessitat d’augmentar la il·luminació amb la consegüent reducció de la potència instal·lada.

Quan la intensitat de la radiació és molt feble, la màxima sensibilitat de l’ull té una font monocromàtica de longitud d’ona igual a 507 nm (verd – blau), passant de la condició de la visió fotòpica (la llum del dia) a la de escotòpica (és la percepció visual que es produeix amb nivells molt baixos d’il·luminació i per tant adaptació a la foscor).

La sensibilitat de la llum groga i vermella és molt reduïda, mentre que la resposta a la llum blava és molt més gran. És evident que si les classificacions de la llum es van determinar utilitzant la funció fotòpica, però les condicions d’ús estan en escotòpica (com en la majoria dels casos la il·luminació a la nit), els valors nominals ens donarà una indicació precisa de la quantitat real de llum produïda.

L’índex de rendiment colorimètric (Ra o CRI) valora la fidelitat de reproducció del color en una escala d’1 a 100; Com més alt sigui aquest valor millor serà la reproducció del color, encara que per aconseguir-ho s’hagi de sacrificar l’eficiència i el consum energètics. En el cas de les làmpades de vapor de sodi és de 45,  per a les de vapor de mercuri 65 i per làmpades Led és de 80.

A la següent foto es mostra un exemple de la diferència de rendiment de color entre làmpades amb tecnologia LED Ra=80 i les làmpades de vapor de sodi de Ra = 45 (respectivament a la dreta i l’esquerra):

Una de les principals avantatges d’aquest tipus de làmpades és la possibilitat de dirigir el flux lluminós i minimitzar la contaminació llumínica, la qual cosa disminueix el flux total emès per la conseqüent disminució de la potència instal•lada i mantenint alta lluminositat en la superfície.

CONSTRUCCIÓ DE LES LÀMPADES LED

L’excel·lent rendiment òptic i la millora en l’evacuació tèrmica del calor, han aconseguit que la tecnologia LED hagi assolit una alta eficiència i durabilitat.

El LED s’alimenta en corrent contínu a traves d’un convertidor electrònic, un dispositiu que actua com a estabilitzador de la tensió i fa que el circuit intern que alimenta el díode no sigui sensible als canvis o variacions en el voltatge del sistema. També s’utilitza un conductor de protecció per el sobreescalfament que alhora protegeix la vida del producte en conjunt.

A la imatge següent es mostra la diferència entre els dos tipus de fonts de llum. El fet de no haver d’utilitzar reflectors per a la concentració del feix lluminós, fa assolir un nivell molt alt en l’eficiència del sistema i també uns nivells extremadament alts d’uniformitat.

Finalment, una altra qüestió clau, relacionada amb les característiques específiques dels equips, és el fet que la font de llum està formada per múltiples cadenes independents de LEDs, cada una connectat a la línia de subministrament d’un transformador elèctric d’alta eficiència . En cas d’una avaria de les cadenes del LED que componen la lluminària o una font d’alimentació, (encara que és un fet molt rar), la cadena dels corresponents leds s’apaga, mentre que la resta (la majoria) de cadenes segueixen funcionant, al ser equips independents entre si. Per tant el dany d’una cadena (a causa d’un mal funcionament o una font d’alimentació LED) no afecta el funcionament de l’equip, i només causa la reducció de la intensitat de la llum.

A continuació es resumeixen els avantatges dels dispositius que utilitzen il·luminació LED en comparació amb les làmpades de descàrrega convencional.

QUALITAT DE LA LLUM

La llum emesa pel sodi és de color groc, que no correspon al pic de sensibilitat de l’ull humà: aquest fet fa que els colors no es reprodueixin adequadament i per tant necessita més intensitat lumínica per garantir una visió segura. Les làmpades LED en canvi, emeten una llum blanca i freda que li permet arribar a la il·luminació segura per a usuaris del vial públic (menor temps de reacció per una causa inesperada), i amb menor consum d’energia.

La llum blanca emesa per un LED també te més bon comportament amb zones de boira i permet que els vehicles siguin més visibles i per tant augmenta la seguretat, respecte la làmpada tradicional de sodi. També el LED augmenta la qualitat de les imatges captades per càmeres de seguretat.

La temperatura de color d’una font de llum és una forma de comparar la blancor de la llum emesa. A baixa temperatura de color (típicament 3.000 º K) dóna un color blanc càlid.

Com més alta sigui la temperatura de color, la llum sembla més freda. El blanc fred té una temperatura de 4.200 º K, o fins i tot 6.500 º K. La temperatura de color es mesura en graus Kelvin (º K). Això es relaciona amb el color de la llum, que seria la produïda per un llum de filament de tungstè amb el filament en la temperatura de color utilitzant l’escala de temperatura Kelvin.

DURABILITAT

La clau de la durada de les làmpades de tecnologia Led, és la gestió tèrmica. La durada d’una unitat depèn fonamentalment de la temperatura de la unió dels xips LED.

El següent gràfic mostra la decadència de les corbes del corrent de totes les làmpades. És fàcil veure com les llums LED són clarament superiors en termes de durada. S’estima que la vida útil d’una làmpada LED és d’entre 50.000 i 60.000 hores de funcionament, tot i que la taxa de caiguda del flux lluminós del LED a les primeres 5.000 hores augmenta lleugerament. Amb el temps també tenen un deteriorament del flux del 30% sobre l’estat inicial. Els llums convencionals de sodi, després de 12.000 hores mostren una reducció en el flux de fins a un 50%.

(*) Al final de la vida útil.

Avantatges de la tecnologia LED

En l’eficiència energètica

ridi3-enercatL’eficàcia lluminosa d’una font de llum o rendiment lluminós mesura la part de energia elèctrica que es fa servir per il·luminar i s’obté dividint el flux lluminós emès (en lúmens) i la potència elèctrica consumida en watts.

Els lúmens per watt real de qualsevol làmpada que genera llum depèn de molts factors, com ara les pèrdues d’energia, les pèrdues a causa del control òptic i les relacionades amb la temperatura. En qualsevol dispositiu de làmpades de descarrega (fonts de sodi o d’halogenurs metàl·lics), aquestes pèrdues poden disminuir a la meitat l’eficàcia inicial (en lúmens per watt). A diferència dels productes LED.

En conclusió, en termes d’estalvi d’energètic, els beneficis de la tecnologia LED respecte a les làmpades tradicionals, són els següents:

  • Al ser d’alta eficiència lumínica proporciona amb la mateixa qualitat d’il·luminació un estalvi energètic de més del 50%.
  • En les làmpades de descàrrega amb alt índex de reproducció cromàtica (Ra> 60) l’estalvi d’energia és de fins a un 30-40%.
  • En les làmpades de descàrrega amb baix índex de reproducció cromàtica (Ra <30), l’estalvi energètic és superior al 55%.
  • Màxima seguretat elèctrica (corrent continu de baixa tensió d’alimentació) i la commutació d’alta velocitat (100 nanosegons). A més, aquests dispositius poden proporcionar un control remot electrònic que proporciona informació sobre el consum en temps real.
  • Possibilitat d’incorporar un sistema de regulació d’intensitat llumínica que permet reduir el consum per a diferents franges horàries amb un petit increment de cost respecte la làmpada original. El sistema es transforma amb una malla que fa que es reguli de forma conjunta.

Impactes ambientals

Els dispositius LED tenen diversos avantatges en termes d’impacte ambiental:

  • L’absència de substàncies tòxiques o perilloses en els components, com ara vapor de mercuri o gas, sodi, etc.
  • L’absència d’emissió de calor i de radiació ultraviolada, aquest fet fa que el LED no atregui els insectes.
  • El LED al no haver d’utilitzar reflectors per a la concentració del feix lluminós, fa que no generi contaminació llumínica, i per tant no s’hagi de dissenyar dispositius per evitar-la.
  • Com a conseqüència d’un estalvi del 50% en el consum elèctric en comparació a les làmpades tradicionals, contribueix a reduir les emissions de diòxid de carboni (CO2) a l’atmosfera.