Tecnología de las Luminarias LED

Voy a comenzar unos post sobre luminarias LED y su construcción, intentando dar un enfoque lo más práctico posible para una mejor comprensión de su instalación.

Elementos que distinguen una luminaria LED

           Chip (LED),

           Driver,

          Placa Base

          Sistema de Disipación de Calor

          Óptica Secundaria

Estos son los cinco elementos fundamentales de una luminaria LED

Las cualidades que distinguen una lámpara LED de alta calidad son:

  • Eficacia superior (mínimo consumo de energía)
  • Duración extra larga (máxima vida útil)
  • Calidad de la luz (colores definidos y agradables)
  • Encendido instantáneo y ausencia de zumbidos o parpadeos

Describamos los elementos fundamentales para alcanzar una eficiencia energética óptima.


Capítulo 1

El Chip

El chip es el principal componente de una luminaria LED. De su calidad depende no sólo el consumo y la duración de la lámpara, sino también el color y la intensidad de la luz.

El corazón de una lámpara LED. Es una pieza de un material semiconductor (normalmente carburo de silicio) de unos 2 milímetros, capaz de generar luz cuando se le aplica corriente. Sobre esta base de carburo de silicio (o en ocasiones de zafiro) se depositan en forma de vapores diferentes materiales, cuya mezcla es la que da el color y la calidad de la luz. El chip se protege del exterior mediante una carcasa de cristal o policarbonato.

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Obleas LED antes de ser cortadas en chips

¿Por qué emite luz un LED?

En un LED, la luz se produce cuando la corriente eléctrica atraviesa los materiales semiconductores que componen el chip. Estos semiconductores son de tipo P (carga positiva) y de tipo N (carga negativa), y la luz se genera cuando la corriente atraviesa el punto de unión entre ambos tipos de semiconductores (este espacio se conoce como unión PN). En este punto los electrones de la parte negativa ocupan los huecos de la parte positiva.  Para combinarse con un hueco —que está en un nivel energético inferior— el electrón pierde energía en forma de fotón, o lo que es lo mismo: emite luz.

El chip, los materiales que lo componen y el proceso de fabricación del mismo es lo que determina en gran medida la calidad del LED y por lo tanto, es el proceso más costoso y delicado. El motivo de que algunos LED tengan, a priori, un precio elevado (en comparación con una fluorescente, por ejemplo) es precisamente el alto coste de los materiales empleados —como el carburo de silicio o el zafiro—, y el delicado y minucioso proceso de fabricación, que se realiza bajo unas condiciones muy controladas de presión y temperatura.

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LED aumentado mostrando la fuente de luz

 

¿Cómo se fabrica un chip LED?

La fabricación de un chip comienza con la elaboración de un substrato o base semiconductora sobre la que aplicar el resto de componentes que marcarán el “carácter” del LED. Esta base, en forma de oblea de unos 15 cm de diámetro, normalmente es de carburo de silicio o zafiro y los elementos que se “cultivan” sobre ella varían en función de las características de la luz que se desee conseguir: nitruro de indio y galio (InGaN) para luz azul; aluminio, galio, indio (AlGaInP) para tonos amarillos, naranjas y rojos o fosfuro de galio (GaP) para amarillo y verde.

Cuando todos elementos han sido depositados, quedan formadas las capas necesarias para el funcionamiento del chip: la capa N, la región activa (unión PN) y la capa P. Este proceso se conoce como epitaxia y se utiliza en la fabricación de todo tipo de chips o circuitos integrados.

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Oblea LED recién fabricada

LED’s más baratos gracias al silicio

Algunas compañías están investigando la utilización de silicio como sustrato, en lugar de carburo de silicio o zafiro. Esto reduciría considerablemente el coste de fabricación de los chips LED, ya que el silicio permite utilizar obleas más grandes y es un material más barato. Otra ventaja del silicio es que, presumiblemente, se podría utilizar para la fabricación de chips LED’s la maquinaria empleada en la fabricación de chips para ordenadores, que se fabrican sobre este material. El principal escollo para la utilización de silicio es la dificultad de cultivar nitruro de galio sobre él, ya que ambos elementos reaccionan de forma muy diferente ante los cambios de temperatura que se producen durante el proceso, lo que genera grietas en la oblea.

Se estima que la utilización de silicio podría reducir el coste de fabricación en un 75%, lo que daría un gran impulso a la tecnología LED como método de iluminación eficiente, especialmente en el ámbito doméstico.

Otra línea de investigación se centra en el uso directamente de nitruro de galio como sustrato base, lo que reduciría la diferencia estructural entre las diferentes capas. El uso de este material en la base incrementaría el coste de fabricación, pero multiplicaría por 10 la luz generada (es decir, se multiplicaría por 10 los lúmenes por vatio consumido), lo que podría compensar el coste.