Los diodos emisores de luz (LED) son semiconductores eficientes que generan luz a través de un proceso conocido como electroluminiscencia. Son más pequeñas, más duraderas y más confiables que las lámparas incandescentes o fluorescentes. Con aplicaciones en iluminación, pantallas y campos especializados, los LED ofrecen un alto rendimiento y ahorro de energía. Este artículo proporciona información sobre cómo funcionan los LED, sus características, vida útil y tipos avanzados.
Descripción general del LED
Un diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo semiconductor que genera luz cuando la corriente fluye a través de él en dirección hacia adelante. A diferencia de las bombillas incandescentes, que brillan al calentar un filamento, o las lámparas fluorescentes que dependen de la excitación del gas, los LED funcionan a través de la electroluminiscencia, la emisión directa de fotones a medida que los electrones se recombinan con los agujeros dentro del semiconductor. Este proceso los hace mucho más eficientes y confiables que las tecnologías más antiguas. Los LED destacan por su diseño compacto, su larga vida útil, su durabilidad contra golpes y vibraciones y su mínimo consumo de energía.
Emisión de luz en semiconductores
Esta imagen explica el proceso de emisión de luz en semiconductores, que es el principio de funcionamiento detrás de los LED. Cuando un semiconductor es excitado por corriente eléctrica o inyección óptica, los electrones se mueven de la banda de valencia a la banda de conducción, creando una separación entre electrones y huecos. Esta diferencia de energía se llama banda prohibida (Eg).
Una vez excitado, el electrón en la banda de conducción finalmente se recombina con un agujero en la banda de valencia. Durante este proceso de recombinación, la energía perdida se libera en forma de fotón. La energía del fotón emitido corresponde exactamente a la banda prohibida del material, lo que significa que la longitud de onda (o color) de la luz depende de la banda prohibida del semiconductor.
Características eléctricas del LED
| Color LED | Voltaje directo (Vf) | Corriente directa (mA) | Notas |
|---|---|---|---|
| Rojo | 1,6 – 2,0 V | 5 – 20 mA | Vf más bajo, altamente eficiente |
| Verde | 2,0 – 2,4 V | 5 – 20 mA | Vf ligeramente superior |
| Azul | 2,8 – 3,3 V | 5 – 20 mA | Requiere más voltaje |
| Blanco | 2,8 – 3,5 V | 10 – 30 mA | Fabricado con LED azul + revestimiento de fósforo |
Salida luminosa LED y eficacia
| Fuente de luz | Eficacia (lúmenes por vatio) | Notas |
|---|---|---|
| Bombilla incandescente | \~10–15 lm/W | La mayor parte de la energía se pierde en forma de calor |
| Lámpara halógena | \~15–25 lm/W | Ligeramente mejor que la incandescente |
| Tubo fluorescente | \~50–100 lm/W | Requiere balasto, contiene mercurio |
| Fluorescente compacto (CFL) | \~60–90 lm/W | Factor de forma pequeño, en proceso de eliminación |
| LED moderno | 120–200 lm/W | Disponible en iluminación de consumo |
| Prototipos de LED de alta gama | 250–300+ lm/W | Probado en laboratorio, mostrando potencial futuro |
Color LED y calidad de renderizado
Temperatura de color correlacionada (CCT)
• Blanco cálido (2700K–3500K): Produce un brillo amarillento, ideal para salas de estar, restaurantes y ambientes interiores acogedores.
• Blanco neutro (4000K–4500K): equilibrado y cómodo, a menudo utilizado en oficinas, aulas y espacios comerciales.
• Blanco frío (5000K–6500K): luz nítida y azulada similar a la luz del día, excelente para iluminación exterior, talleres y entornos con muchas tareas.
Índice de reproducción cromática (CRI)
• CRI ≥ 80: Adecuado para iluminación doméstica y comercial.
• CRI ≥ 90: Requerido en áreas que exigen un juicio preciso del color, como estudios de arte, instalaciones médicas y tiendas minoristas de alta gama.
Vida útil del LED y mantenimiento de lúmenes
El estándar L70
La vida útil del LED se mide mediante el estándar L70. Este valor representa el número de horas de funcionamiento hasta que la salida de luz del LED caiga al 70% de su brillo original. En este punto, el LED sigue funcionando, pero ya no proporciona la calidad de iluminación prevista. L70 garantiza una forma consistente de comparar el rendimiento de los LED entre fabricantes.
Vida útil del LED
• LED de consumo: 25.000 – 50.000 horas de uso.
• LED industriales: 50,000 – 100,000+ horas, diseñados para condiciones más duras y ciclos de trabajo más altos.
Gestión térmica LED
Temperatura de unión (Tj)
La temperatura de unión es la temperatura interna en el punto donde se genera la luz dentro del chip LED. Los fabricantes especifican un rango de funcionamiento seguro por debajo de 125 °C. Si se supera este valor, se reducen el brillo, la eficiencia y la vida útil del LED. Mantener Tj bajo garantiza que el LED pueda cumplir con su rendimiento nominal.
Trayecto térmico de unión a ambiente
El calor producido dentro del LED debe viajar desde la unión hasta el aire circundante. Esta vía se denomina ruta de unión al ambiente. Los diseñadores miden su efectividad utilizando la resistencia térmica (RθJA), expresada en °C / W. Una menor resistencia térmica significa que el calor se transfiere de manera más eficiente, manteniendo el LED más frío y estable.
Métodos de enfriamiento
• Disipadores de calor: las aletas de aluminio absorben y distribuyen el calor lejos del LED.
• Vías térmicas: pequeños orificios chapados en la PCB conducen el calor de la almohadilla LED a las capas de cobre.
• PCB con núcleo de metal (MCPCB): utilizadas en LED de alta potencia, estas placas tienen una base de metal que transfiere el calor de manera eficiente.
• Refrigeración activa: los ventiladores o sistemas de refrigeración líquida se utilizan en entornos exigentes, como proyectores, iluminación de estadios o accesorios industriales.
Métodos de conducción LED
Controladores de corriente constante
Un controlador de corriente constante mantiene estable la corriente del LED incluso cuando el voltaje de suministro fluctúa. Esta es la forma más confiable de alimentar los LED, ya que evita la fuga térmica y mantiene una salida de luz constante. Los controladores de alta calidad a menudo incluyen protecciones contra cortocircuitos, sobretensiones y condiciones de sobretemperatura.
Atenuación PWM
La modulación de ancho de pulso (PWM) controla el brillo encendiendo y apagando el LED a velocidades muy altas. Al ajustar el ciclo de trabajo (la relación entre el tiempo de encendido y el tiempo de apagado), el brillo percibido cambia suavemente. Debido a que la frecuencia de conmutación está por encima del rango de detección del ojo humano, la luz parece constante. Los sistemas mal diseñados con PWM de baja frecuencia pueden causar un parpadeo visible, lo que provoca fatiga visual o artefactos de la cámara.
Atenuación analógica
En la atenuación analógica, el brillo se ajusta cambiando la amplitud de la corriente que fluye a través del LED. Este método evita problemas de parpadeo, pero puede cambiar ligeramente el color del LED, especialmente a niveles de brillo muy bajos. La atenuación analógica a menudo se combina con PWM en sistemas avanzados para lograr un control de color suave y una regulación precisa del brillo.
Embalaje y óptica LED
LED de dispositivo de montaje en superficie (SMD)
Los LED SMD son el tipo más utilizado en la iluminación moderna. Se montan directamente en la PCB y vienen en tamaños estándar como 2835 y 5050. Los LED SMD brindan una buena eficiencia y flexibilidad, lo que los hace mejores para tiras de LED, bombillas domésticas y paneles de luz. Su tamaño compacto permite una fácil integración en accesorios delgados y livianos.
LED de chip en placa (COB)
Los paquetes COB montan múltiples matrices LED directamente en un solo sustrato, creando una fuente de luz densa. Este diseño ofrece un mayor brillo, una salida de luz más suave y un menor deslumbramiento en comparación con los SMD individuales. Los LED COB se encuentran en focos, downlights y lámparas de alta potencia, donde se requiere una fuerte iluminación direccional.
LED de paquete a escala de chip (CSP)
La tecnología CSP elimina el embalaje voluminoso, reduciendo el LED a casi el mismo tamaño que el propio troquel semiconductor. Esto permite diseños más pequeños, más eficientes y térmicamente estables. Los LED CSP se utilizan ampliamente en faros de automóviles, retroiluminación de teléfonos inteligentes y paneles de visualización, donde se requiere compacidad y durabilidad.
Óptica y control del haz
La luz cruda de un paquete LED no siempre es adecuada para su uso directo. Para dar forma y dirigir la luz, los diseñadores utilizan elementos ópticos como lentes para enfocar o difundir la luz. Reflectores para redirigir y controlar los ángulos del haz. Difusores para una iluminación suave y uniforme.
Tipos de LED especializados
LED UV
Emita luz ultravioleta para esterilización, curado de adhesivos y detección de falsificaciones. Alternativa segura y compacta a las lámparas UV de mercurio.
LED IR
Produzca luz infrarroja invisible para controles remotos, visión nocturna y sistemas biométricos. Eficiente y ampliamente utilizado en electrónica y seguridad.
OLED
Los LED orgánicos delgados y flexibles se utilizan en teléfonos inteligentes, televisores y dispositivos portátiles. Ofrece colores vivos y contraste, pero tiene una vida útil más corta.
Micro-LED
Pantallas de próxima generación que ofrecen un rendimiento más brillante, eficiente y duradero que las OLED. Lo mejor para AR/VR, televisores y relojes inteligentes.
Diodos láser
Dispositivos semiconductores que crean haces coherentes de alta intensidad. Se utiliza en fibra óptica, escáneres, herramientas médicas y punteros láser.
Conclusión
Los LED se han convertido en componentes versátiles utilizados en iluminación, pantallas y tecnologías avanzadas. Su eficiencia, durabilidad y capacidad de control los distinguen de las fuentes de luz más antiguas. Las formas especializadas como UV, IR, OLED y micro-LED amplían aún más su papel. Con las mejoras continuas, los LED siguen siendo fundamentales para el futuro de los sistemas de iluminación sostenibles y de alto rendimiento.
Preguntas frecuentes [FAQ]
Pregunta 1. ¿De qué materiales están hechos los LED?
Los LED están hechos de semiconductores como arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de galio (GaP) y nitruro de galio (GaN).
Segundo trimestre. ¿Por qué los LED necesitan resistencias?
Las resistencias limitan el flujo de corriente y protegen los LED para que no se quemen.
Tercer trimestre. ¿Cómo se fabrican los LED blancos?
Los LED blancos utilizan un chip LED azul con un revestimiento de fósforo amarillo para crear luz blanca.
Cuarto trimestre. ¿Por qué los LED cambian de color con el tiempo?
Los LED cambian de color debido al calor y la degradación del material, así como a la degradación del fósforo.
Pregunta 5. ¿Pueden funcionar los LED en entornos extremos?
Sí. Con un diseño adecuado, los LED pueden funcionar en condiciones muy frías, calientes, húmedas o polvorientas.
Pregunta 6. ¿Cómo se prueba la vida útil del LED?
Los LED se prueban con estrés térmico, de humedad y eléctrico para estimar la vida útil.