29 octubre, 20157 mayo, 2017

Ignacio Mártil.
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Este año 2015 es el Año Internacional de la Luz y es una excelente ocasión para describir que es y cómo funciona la bombilla LED (acrónimo del inglés Ligth Emmiting Diode, diodos emisores de luz), un dispositivo en el que se han combinado de una forma casi perfecta la ciencia y la tecnología para cambiar de manera determinante los procedimientos de iluminación de nuestra vida cotidiana. Esto ha ocurrido tras décadas de inversiones, investigación, desarrollo y algo de osadía e imaginación que culminaron en los logros de tres científicos japoneses (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura), que les valió obtener el Premio Nobel de física del año pasado. Con su desarrollo se ha hecho realidad lo que el comité del Nobel definió como la invención de "Una nueva luz para iluminar el mundo".

En este artículo haré un breve repaso a la historia de los LED y describiré el funcionamiento y las principales características de las bombillas basadas en ellos.

1. Los comienzos de la iluminación artificial y de los LED
La figura ilustra los diferentes procedimientos mediante los que nos hemos proporcionado iluminación a lo largo de la historia:

Un breve repaso a la historia de la iluminación artificial

Tras la utilización del fuego como procedimiento de iluminación durante miles de años, se produjo un cambio trascendental en el siglo XIX con el descubrimiento de la electricidad y de la invención de la bombilla de filamento por parte de T. A. Edison en 1879, ya que a partir de ese momento la iluminación entró en una nueva era, caracterizada por la generalización del uso de las bombillas incandescentes a lo largo del siglo XX.

En los años 30 del siglo XX se inventaron los tubos fluorescentes y coexistieron durante toda la segunda mitad del siglo con las bombillas.

A comienzos de los años 60 del siglo pasado, Nick Holonyak, considerado como el padre del LED moderno, inventó en 1962 el primer LED que emitía luz visible. Los primeros dispositivos comerciales emitían radiación de colores rojo, amarillo y verde, así como radiación infrarroja. Durante las cuatro décadas siguientes, estos dispositivos se utilizaron casi exclusivamente en aplicaciones domésticas (calculadoras de bolsillo, teléfonos, relojes de pulsera, mandos a distancia de electrodomésticos). La figura muestra alguno de esos aparatos:

Izquierda: Calculadora HP-35 de 1972, una de las primeras en utilizar LEDs de luz roja en la pantalla de presentación de datos. Derecha: teléfono "Trimline" de ATT de principios de los 80; usaba LEDs verdes para iluminar el teclado

Desde mediados de los años 70 se intentaron obtener LEDs que emitieran luz azul, ya que utilizados junto a los emisores de luz verde y roja, permitirían obtener todo el abanico de colores así como luz blanca. Durante muchos años, este empeño resultó arduo e infructuoso, hasta que finalmente, a comienzos de los años 90 del siglo pasado, una empresa hasta entonces desconocida en este campo, Nichia Corporation, los desarrollo y comercializó por primera vez gracias al talento de Shuji Nakamura. Muy poco tiempo después, la obtención de luz blanca con LEDs y las ahora conocidas como bombillas LED se hicieron realidad.

La luz blanca se puede obtener a partir de dispositivos LED mediante dos procedimientos: combinar LEDs que emitan luz roja, verde y azul, o usar una capa de fósforo que al ser iluminada con luz azul, convierte esta en luz blanca. El primer método utiliza un LED de cada uno de los colores primarios (verde, rojo y azul) que al mezclarse, dan como resultado luz blanca. La ventaja de este método es que la intensidad de cada LED se puede ajustar para definir con precisión la tonalidad de la luz emitida. La mayor desventaja es su alto coste de producción. El segundo método utiliza un LED que emite luz azul en combinación con una capa de fósforo situado en la superficie interior del bulbo de la bombilla. Esta capa, al iluminarse con luz azul emitida por el LED, la absorbe y provoca la re-emisión por parte del fósforo de un espectro más amplio, dando de nuevo como resultado luz blanca. La mayor ventaja en este caso es el bajo coste de producción y de hecho, la práctica totalidad de las bombillas LED comerciales son de esta segunda clase.

Desde su aparición en el mercado las bombillas LED no han hecho más que cobrar año tras año mayor protagonismo, estando cada vez más incorporadas a nuestra vida cotidiana. Describiré a continuación sus principios de funcionamiento.

2. Funcionamiento de las bombillas de filamento, las fluorescentes y las LED
Una lámpara de filamento es una ampolla de vidrio en cuyo interior hay un hilo metálico. Cuando se enchufa a la red eléctrica, el paso de la corriente hace que el hilo se ponga incandescente y emita luz. Pero sobre todo, lo que emite es calor, es decir, las bombillas de filamento son en esencia fuentes de calor, que emiten algo de luz. Sólo un 5% de la potencia eléctrica que consumen se invierte en emitir luz visible. De manera que cuando enchufamos una bombilla de 100 vatios, estamos consumiendo realmente esos vatios eléctricos, pero sólo 5 de esos vatios se transforman en luz, por lo que es un dispositivo extraordinariamente ineficiente desde el punto de vista energético.

A partir de los años ochenta del siglo pasado, entraron en el mercado las bombillas fluorescentes compactas, conocidas como bombillas de bajo consumo. Estas son, en esencia, los muy conocidos tubos fluorescentes utilizados habitualmente en las cocinas de gran número de hogares, pero en un tamaño mucho más reducido. Estas bombillas tienen en su interior un gas inerte, generalmente argón o neón así como vapor de mercurio. Cuando se conectan a la red eléctrica, el gas inerte se ioniza y excita a los electrones de los átomos de mercurio, que al desexcitarse, emiten luz ultravioleta. Las paredes internas del tubo están recubiertas de una sustancia fluoresecente que al absorber la luz ultravioleta hace que los electrones de sus átomos se exciten a su vez y siguiendo un proceso similar, en la desexcitación posterior emiten luz visible. Energéticamente son más eficientes que las bombillas de filamento, pero tienen el grave problema de contener mercurio, por lo que su reciclado es muy complicado, difícil y costoso.

El corazón de una bombilla LED es un dispositivo electrónico conocido como diodo de unión que está fabricado con un semiconductor, materiales que están presentes en gran número de aparatos que utilizamos a diario: teléfonos móviles, ordenadores, televisiones, receptores de radio, calentadores de microondas, automóviles, etc. En un diodo hay dos zonas bien diferenciadas, en una hay gran número de electrones, mientras que en la otra hay abundancia de enlaces atómicos en los que faltan electrones que se denominan "huecos". Al enchufar la bombilla LED a la red eléctrica, en el diodo se produce un fenómeno conocido como electroluminiscencia. Cuando circula corriente por el dispositivo, los electrones en su movimiento se encuentran con los huecos, con los que se recombinan. En ese proceso los electrones pierden parte de su energía, que se transforma en energía lumínica emitida en forma de fotones, es decir, luz. Dependiendo del semiconductor con el que se hayan fabricado, la luz emitida es de colores diferentes [1]. Los primeros LED se fabricaban con GaP (verde), GaAsP (amarilla), GaAlAs (roja) y GaAs (infrarroja). Hoy en día se utilizan semiconductores compuestos de otros elementos (AlGaInP, InGaN).

3. Eficiencia energética de las bombillas LED

La cantidad de luz que emite un sistema de iluminación se mide con una magnitud denominada lúmen (lm). A más lúmenes, más luz. Para conocer la eficiencia con la que una bombilla emite luz, es preciso conocer la potencia eléctrica que necesita para emitirla. Puesto que la potencia eléctrica se mide en vatios (W), la medida de la eficiencia se expresa en lm/W. Una fuente de luz que emitiese 400 lm/W tendría una eficiencia energética del 100%, siendo por lo tanto ese valor el máximo que puede alcanzar cualquier bombilla.

Las bombillas incandescentes emiten 15-20 lm/W, lo que representa una eficiencia energética muy baja (4-5%). Las fluorescentes compactas emiten 80-90 lm/W, que traducido a eficiencia representa un 20-23%. Finalmente, las bombillas LED comerciales hoy día suministran 100-120 lm/W, es decir, su eficiencia es de 25-30%. Por consiguiente, desde el punto de vista energético, las bombillas LED son más eficientes que las otras dos, en especial que las de filamento.

Desde su invención los LEDs han aumentado su eficiencia de manera espectacular, ya que es un sector industrial en crecimiento ininterrumpido, incluso en los peores años de la crisis económica. Una de las principales empresas fabricantes del mundo, la estadounidense Cree, obtuvo en marzo de 2014 un LED que emite 303 lm/W (¡75% de eficiencia energética!) que se trasladarán a productos comerciales en los próximos años. Los métodos de iluminación convencionales, al ser muy maduros desde el punto de vista tecnológico, ya no disponen de margen de mejora en términos de eficiencia luminosa. En cambio, la tecnología LED es una recién llegada al mundo de la iluminación, de manera que si hoy en día la eficiencia de las bombillas se sitúa, como ya se ha dicho, en el entorno del 25-30%, en 10-15 años rondará el 90%. La imagen lo muestra:

Evolución en los últimos 100 años de la eficiencia luminosa (lm/W) de las diversas tecnologías de iluminación. Fuente: Cecile Rosset, Universidad Técnica de Munich

4. Coste de las bombillas LED
El principal inconveniente de las bombillas LED es su coste. El elevado precio que, hoy por hoy, tienen estas bombillas se debe a dos factores principales: uno es que están fabricadas con semiconductores, como ya se ha indicado. Las bombillas LED que emiten luz blanca se fabrican con InGaN (nitruro de indio y galio). Tanto el galio como principalmente el indio son elementos químicos muy escasos y difíciles de purificar.

Además, la tecnología de obtención del InGaN es muy costosa, por lo que únicamente con grandes cantidades de unidades fabricadas se pueden alcanzar economías de escala para bajar los costes de producción y por consiguiente de venta.

El otro factor que las encarece guarda relación con su funcionamiento: una bombilla LED trabaja con tensiones continuas bajas, alrededor de 3-4 voltios. Los enchufes de la red eléctrica suministran tensión alterna de valor más elevado, 220 voltios. Para conectar a la red una bombilla LED hay que reducir y rectificar la tensión. Eso hace que las bombillas LED incorporen en su casquillo un circuito electrónico que efectúa esas modificaciones para que trabaje a la tensión adecuada. La figura muestra una bombilla LED, así como sus diferentes componentes internos:

Bombilla LED comercial y sus diversos componentes. En la esquina superior derecha se observa el semiconductor recubierto con fósforo que se localiza en el interior del bulbo; en la esquina inferior derecha, dentro del casquillo con aletas de refrigeración, se muestra el circuito electrónico que rectifica y reduce la tensión de la red.

Debido a estas razones, el precio de las bombillas LED, expresado en términos del coste de cada vatio eléctrico que consume, se encuentra hoy día en el margen 3-5 €/W. Por comparación, ese precio es 0.05-0.1 €/W para las bombillas de filamento y de 1-2 €/W para las fluorescentes compactas. Estos elevados precios se compensan parcialmente por la gran duración que tienen en contraste con los otros dos tipos de bombillas: una bombilla de filamento tiene una vida media de 1.000 horas, una fluorescente compacta de 8.000-10.000 y una LED de 20.000-25.000.

5. Beneficios de la tecnología LED
La energía consumida por la iluminación representa cerca del 16% del total de la energía eléctrica consumida en todo el planeta (19.700 TWh en 2012 [2], último año del que se dispone de datos globales), lo que representa 3.000 TWh/año. Cerca del 40% de la iluminación se realiza con bombillas incandescentes (con una eficiencia de 15 lm/W), otro 40% con bombillas fluorescentes de diversos tipos (a razón de 80 lm/W de eficiencia promedio), y el 20% restante con lámparas de descarga de vapor de sodio y mercurio (con 120 lm/W de eficiencia). Suponiendo que para el año 2.020 todas fueran sustituidas por bombillas LED con 170 lm/W de eficiencia (valor que ya tienen algunas bombillas comerciales hoy día), eso significaría un ahorro energético de 1.920 TWh al año en todo el mundo.

En España el consumo de energía eléctrica en 2014 fue de 244 TWh y el consumo en iluminación supuso 36,5 TWh. Aplicando el razonamiento previo y suponiendo un reparto entre los diferentes tipos de bombillas convencionales similar, con la sustitución por bombillas LEDs se ahorrarían 23,4 TWh. A los precios actuales de la electricidad (0,12 €/kWh) supondría 2.800 millones de euros de ahorro.

Por otra parte, en el "mix" energético de nuestro país, la participación de las fuentes no renovables de combustibles fósiles es del 18% para el carbón y el 9% para el gas natural. El ahorro de los 23,4 TWh habría supuesto evitar la quema de 520.000 toneladas de carbón y de 226 millones de m³ de gas natural [3], lo que a su vez propiciaría una reducción sustancial de la factura energética y de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Estamos ante un verdadero cambio de paradigma en el procedimiento de iluminación. En los próximos 10-15 años, la iluminación artificial se obtendrá de forma mayoritaria mediante bombillas LED, con el consiguiente ahorro en el consumo de energía eléctrica. Si a eso unimos el mayor protagonismo de la obtención de electricidad por fuentes renovables, estaremos ante un escenario radicalmente nuevo y esperanzador para un futuro más sostenible.
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[1] En un semiconductor, los electrones tienen más energía que los huecos. En la terminología científica, los primeros están en la banda de conducción (BC) y los segundos en la de valencia (BV). La diferencia de energías entre ambas bandas se denomina "gap" de energía y su valor es diferente para cada semiconductor. Cuando un electrón se recombina con un hueco, "cae" desde la BC a la BV y emite la diferencia (el "gap") en forma de un fotón. Esta es la razón por la que la luz emitida sea de diferente energía (y por consiguiente, de diferente color) según con qué semiconductor se fabrique el LED.

[2] 1 TWh = 1 billon de Wh = 1.000.000.000.000 Wh

[3] 1 Tonelada carbón = 8.140 kWh; 1 m³ gas natural = 10,35 kWh