Iluminacion

Iluminación con LEDs blancos

Autor: Ramón J. Zaragozá Cardells

Perteneciente al Grupo de Espeleología Comando (G.E.C.)

E-mail: ramon.j.zaragoza@uv.es

-1.Introducción

El sistema de iluminación en espeleología es vital para la buena visión y seguridad en

las cavidades, sin embargo apenas ha cambiado en las últimas décadas, por no remontarnos

incluso a los comienzos de la espeleología. El sistema más utilizado sigue siendo la luz del

carburero como sistema principal y la frontal eléctrica con una o dos bombillas como sistema

secundario. El carburero posee una luz muy uniforme pero de escaso alcance y muy rojiza, la

frontal eléctrica normal posee un haz de luz más concentrado de mayor alcance pero muy

irregular en la distribución de la intensidad luminosa (Fotos 1 y 2). Ambos sistemas se

complementan pero suelen presentar numerosos inconvenientes. Por suerte hoy en día ya es

posible disponer de la iluminación casi perfecta, para ello se hace uso de un nuevo tipo de

diodos luminosos de alta eficiencia. Estos son los LEDs (Light Emitting Diodes) de luz blanca.

Aquí presentamos la descripción de las características de este tipo de diodos así como

una visión general para el diseño y construcción de sistemas de iluminación basados en este tipo

de tecnología, tanto para frontales auxiliares como para frontales usadas como luz principal en

cavidades. Haremos mención especial a dos modelos de frontales desarrollados por nosotros,

cuyas primeras pruebas las iniciamos a mediados del 2000 y el primer sistema completamente

terminado, para uso en cuevas, se realizó a principios del 2001.

-2.LEDs de luz blanca. ¿Qué son?

Los LEDs de luz blanca son diodos azules,

que emiten luz a una longitud de onda de unos

460nm, recubiertos con una capa de un derivado de

fósforo. El fósforo absorbe la luz azul y la reemite a

distintas longitudes de onda en el espectro visible,

generando luz blanca (Figura 1). Están basados en

semiconductores de InGaN (Nitruro de Indio y

Galio), difíciles y raros, y por tanto caros. Los

primeros diodos de este tipo surgieron a mediados de

los 90, desarrollados por la casa Nichia.

Figura 1. Espectro de emisión de un

LED de luz blanca

Fotos 1 y 2. Visión suministrada por el carburero a máxima potencia (izquierda) y una frontal

eléctrica convencional (derecha)

Existen varios formatos de LEDs de luz blanca, pero quizá el más adecuado para

nuestros propósitos sea el de 5 mm de la Figura 2 y Foto 3. La parte negativa del diodo (cátodo)

se encuentra unida directamente a un pequeño reflector metálico parabólico que a su vez sirve

de terminal de salida. Por este terminal se disipa la mayor parte del calor generado durante el

funcionamiento del LED. El polo positivo del diodo se encuentra soldado al terminal de salida

(ánodo) a través de un fino conductor metálico, normalmente de oro. El diodo se encuentra

recubierto de una película del derivado de fósforo que le da una tonalidad amarillenta. El

conjunto se encuentra encapsulado en una resina epoxídica de calidad óptica (alta transparencia)

que sirve de soporte, protección y óptica de enfoque

Existen LED con distintos reflectores lo que permite variar el ángulo de apertura del haz

luminoso. La mayoría de los LEDs de luz blanca, útiles a nuestros propósitos, se comercializan

con ángulos de visión de 20º, 50º y 70º. Este ángulo no es el de apertura máxima, sino que se

refiere al doble de la apertura en la

cual la intensidad luminosa ha

disminuido la mitad respecto a la

máxima central. Por ejemplo, en uno

de 20º, la intensidad ha disminuido a

la mitad a los 10º de apertura

respecto al centro focal. La apertura

no cambia la cantidad de luz emitida

(se suele dar en lumen), solo la

forma en que ésta se distribuye.

Veamos las características eléctricas que más nos pueden interesar:

-En primer lugar destacar que estos LEDs son sensibles a la electricidad estática y por

tanto es mejor mantenerlos, antes de ser montados en el sistema, en plástico antiestático o en

papel de aluminio. Para su manipulación es aconsejable descargarse de electricidad estática

tocando una buena toma de tierra (puede ser una tubería de agua metálica) y trabajar con

soldador y pulsera antiestática conectados a tierra.

-Un LED al ser un diodo posee una polaridad que debe ser respetada, una inversión de

polaridad con voltaje excesivo los puede dañar. Normalmente el voltaje inverso máximo es de

unos 5v.

-La intensidad nominal es de 20mA (miliamperios) con una caída de tensión típica de

3.6V, lo que corresponde a una potencia disipada de 72mW (milivatios). Los parámetros

máximos son de 30mA y 120mW, siempre que se mantenga el conjunto a temperaturas

inferiores a 25ºC. Si se supera la temperatura máxima de la unión semiconductora (unos 100ºC)

el diodo se funde. En realidad, los LEDs poseen una respuesta no lineal de la intensidad frente

al voltaje, incluso entre diodos de la misma procedencia se observan variaciones notables de

estas características. Por ejemplo, nosotros medimos entre un total de unos 200 diodos de la

casa Nichia, variaciones de voltaje entre 3.27V y 3.85V a una intensidad fija de 27mA (Figura

3).

-Teóricamente con los LEDs se pueden

conseguir eficacias luminosas de más de 200

lumen/vatio, aunque actualmente está entre 15 y 25

lumen/vatio. En algunos sitios se dice que su eficacia

está muy por encima que la mayoría de otras fuentes

luminosas, pero esto es totalmente falso. Por ejemplo

una bombilla normal de las utilizadas en una frontal

tiene unos 5 lumen/vatio, una buena halógena puede

estar sobre 15-20 lumen/vatio, las fluorescentes

rondan los 80 lumen/vatio y las de sodio de baja

presión (esas amarillentas utilizadas en alumbrado

Figura 2. Visión esquemática de

un LED de luz blanca

Figura 3. Relación entre la intensidad

y el voltaje para dos diodos de la casa

Nichia

0

5

10

15

20

25

30

3 3,2 3,4 3,6 3,8

Voltios

miliamperios

Foto 3. LED

público) los 150 lumen/vatio. Como se ve superan a las lámparas de volframio normales y están

en el orden o ligeramente por encima de las halógenas, pero están bastante alejadas aun de otros

sistemas de iluminación.

-La duración de los LEDs de luz blanca es de unas 100.000 horas. Esta es una duración

del elemento semiconductor y en condiciones de laboratorio. En realidad el fósforo, incluso el

encapsulado epoxídico se degradan con el tiempo y sobre todo con la temperatura, lo que se

traduce en una pérdida progresiva de la luminosidad y el color. Un cálculo más realista puede

situar la duración en unas 10.000 horas, con una pérdida luminosa del 50%.

-La intensidad luminosa depende también de la temperatura de la unión semiconductora

de forma que cuanto más baja sea ésta, mayor es la intensidad.

-La luz que emiten es una luz blanca ligeramente azulada (Foto 4). Para la medida de la

tonalidad de la luz blanca se utiliza como referencia la luz emitida por un cuerpo negro ideal a

distintas temperaturas medidas en grados Kelvin (K). A temperaturas bajas la luz tiene una

tonalidad amarillo-naranja y conforme aumenta la temperatura la tonalidad se vuelve azulada.

Por ejemplo las lámparas de volframio estándar emiten por debajo de 2900 K (muy amarillas),

las halógenas entre 2900-3100 K, las fluorescentes entre 2700-4000 K y los LEDs blancos de la

casa Nichia a 6500 K (existen de otros rangos). Como referencia indicar que la luz del día es de

5800 K. Como se ve la luz de los LEDs es muy parecida a la luz del día, pero un poco más

azulada.

-3.Ventajas e inconvenientes de los LEDs de luz blanca.

Existen unas ventajas obvias como son la resistencia mecánica (algunos de nosotros

hemos llevado LED rojos en el casco, directamente expuestos a los golpes, durante más de 3

años y han sobrevivido), luz parecida a la del día (mucho más adecuada al ojo humano), no

queman ni contaminan y larga duración eléctrica (prácticamente toda la vida), mientras que una

bombilla de frontal suele durar menos de 100 horas y con un golpe se pueden romper.

Sin embargo algunas diferencias no son tan obvias, pero son las que marcan una clara

ventaja respecto a otras iluminaciones eléctricas o de carburo. Cabe destacar:

-Son totalmente regulables y podemos trabajar a distintas intensidades sin perder

eficacia, incluso con bajas intensidades esta aumenta hasta en un 30-40%. Se puede aprovechar

totalmente la capacidad de las pilas. Son una clara diferencia con las frontales normales, las

cuales difícilmente son regulables y aunque producen una luz razonable con las pilas nuevas,

ésta decae rápidamente al bajar un poco el voltaje de éstas. El hecho real es que a pesar de que

el rendimiento luminoso de los LEDs y de las buenas halógenas es similar el aprovechamiento

...