La calidad de la luz del LED (1ª parte)

En este capítulo, profundizamos sobre las diferentes maneras de conseguir el color en la luz emitida por un LED así como la forma de medir el índice de reproducción cromática (CRI). Para ello, se tratarán conceptos como el espectro luminoso visible, las longitudes de onda o el Diagrama CIE, con el objetivo de acercarnos más a esta tecnología en constante evolución y provisionarnos de una información práctica que nos ayudará en la elección de una determinada fuente de luz.

Hemos comentado brevemente en las anteriores semanas que el diodo LED emite una luz monocromática ytambién que coexisten ledes de distintas composiciones de materiales que emiten luces con distintos espectros de radiación, tanto dentro del espectro visible, como fuera de él. (Por ejemplo, los ledes ultravioleta). Sabemos también que la suma de luces de distintos colores suele dar lugar a una luz compuesta por los distintos espectros, en una suma “aditiva” que amplía y mejora las características de las luces iniciales.

Por ejemplo, sumando tres luces monocromáticas RGB (una roja, una azul, una verde) obtenemos un espectro con muchas más longitudes de onda representadas en él, de forma que la luz resultante ya no es monocromática. Podremos conseguir una luz “blanca” de cierta calidad, válida para algunas situaciones poco exigentes. Pero esta luz compuesta por tres espectros monocromáticos no es lo suficientemente buena para usos y aplicaciones funcionales, donde la calidad visual es prioritaria.

Diagrama CIE y color del LED según los materiales utilizados (Fuente: Osram, 2011)

Los primeros tiempos de las luminarias de luz blanca a partir del led de color fueron “difíciles” ya que los rendimientos del led blanco todavía no eran demasiado convincentes. Se usaba sobretodo la mezcla de ledes RGB, pero con excepciones. El led blanco cálido tenía en aquellos tiempos rendimientos muy bajos, y el led frío daba mayor cantidad de luz pero con unas prestaciones lumínicas desagradables.

A día de hoy, el trabajo de los fabricantes durante los últimos 5 ó 10 años ha dado por fin los frutos deseados y la variedad de calidades de luz alcanzadas con la tecnología led es muy amplia, abarcando prácticamente cualquier aplicación y nichos de mercado. Ahora, la dificultad está en saber comparar entre tantísimos productos, elegir bien, optimizar el uso de una tecnología que no podemos dejar de utilizar, pero que es complicada de escoger, por el exceso de oferta.

Algunos conceptos respecto a la calidad de la luz
El espectro luminoso visible abarca entre las emisiones cuyas longitudes de onda se sitúan entre 380 nm y 680 nm aproximadamente, y la sensibilidad máxima del ojo está alrededor de los 555 nm, por lo que las luces emitidas cercanas a esta longitud de onda son mejor percibidas que las emitidas en otras longitudes más alejadas, situadas hacia los extremos. (Luz azul, hacia 440 nm y luz ultravioleta por debajo de 380 nm o luz roja, hacia 680 nm y luz infrarroja por encima de 700 nm).

La luz natural abarca todo el espectro de radiaciones luminosas, pero no así las fuentes convencionales de luz (incandescencia, fluorescencia, descarga, etc.) que tienen limitaciones en sus espectros, y por tanto distintas reproducciones cromáticas, o CRI, y que justamente se miden a partir de la comparación con la luz natural.

En términos prácticos, el CRI se mide a partir de la comparación con la luz incandescente, a la que se le otorga el valor CRI=100, y las lámparas fluorescentes o de descarga tienen valores habitualmente entre 25 (sodio alta presión para viales y carreteras) y 95 (fluorescentes trifósforos para usos profesionales). Vea también el lector el concepto “ cuerpo negro ”el cual, llevado a muy elevadas temperaturas, produce una luz con diferentes temperaturas de color correlacionadas (CCT).

Pero el CRI no es tan útil para comparar la luz del led, por lo que se estableció hace unos años el índice CQS, por parte del National Institute for Standards and Technology (NIST) y otras instituciones. Luego, este índica quedó abandonado hasta que recientemente se ha establecido la normativa para ledes, la TM-30-15, por parte del Iluminating Engineering Society ( I.E.S.), norma de la que se hablará mucho en el futuro próximo.

El diagrama CIE 1931 define todo el rango de colores visibles de la luz en dos coordenadas (x, y) formando una especie de triángulo (en cuyos vértices se encuentran los colores puros RGB, en los que se representan todas las posibilidades de combinaciones visibles, y en cuya parte central se hayan las luces blancas, que pueden acercarse más o menos a los vértices, según cuál sea la composición y el origen de la luz emitida.

Diagrama CIE 1931 que define todo el rango de colores visibles de la luz en dos coordenadas

Calidad de la luz emitida por un led
Podemos hacer luz blanca por suma aditiva a partir de tres ledes cuyas luces emitidas sean R+G+B, pero sabemos que la reproducción cromática CRI será baja porque no queda bien cubierto todo el espectro. El número de combinaciones de color, usando tres ledes con una configuración estándar de 8 bits, sería de (2^8) ^3 o sea, 256x256x256, dando lugar a más de 16 millones de combinaciones de color.

Actualmente, como todo el mundo sabe, la luz blanca se crea a partir de un led azul o ultravioleta, con una capa de fósforos que lo cubre, siendo la luz resultante la suma de las componentes lumínicas, y por tanto será una luz más fría o más cálida en función de dos o tres factores: principalmente por el espectro del led original, y también por el grosor y características de la capa de fósforos. Así, podríamos conseguir luz blanca más amarillenta o más azulada:

• Luz cálida, comprendida entre valores CCT de 2500K a 3000K aproximadamente.
• Luz neutra, valores entre 3500K y 4500K (no todos los expertos sitúan los mismos límites de CCT).
• Luz fría, cuyos valores sean superiores a 5000K.

La reproducción cromática es muy baja para valores entre 0 y 50 y aceptable entre 51 y 75. E ncambio, tenemos reproducción cromática buena para valores entre 76 y 90 y muy buena para valores superiores a 91.

Podemos unir bajo un mismo sistema óptico, varios ledes de distintas prestaciones, para conseguir ajustar la calidad final de la luz resultante, tanto en su tonalidad, temperatura de color, reproducción cromática, intensidad, etc.

Formas de crear luz blanca (Fuente: DOE EE.UU.)

Cantidad de luz emitida por un led
Nos hemos de fijar en varios parámetros, pero actualmente la eficiencia de la fuente de luz led en productos comercializados está alrededor de los 150 lm/w. Hasta hace bien poco tiempo, luz más cálida significaba peor rendimiento y peor eficiencia luminosa, por tanto una luz más cara. Al mismo tiempo, mejor reproducción cromática significaba peor rendimiento y menor cantidad de flujo total emitido, por tanto luz más cara. Con el tiempo el led ha mejorado, reduciendo estas diferencias.

Cómo elegir el led adecuado
La luz ideal para una determinada aplicación, sería aquella que consiga combinar una alta eficiencia lumínica, una elevada reproducción cromática, y una temperatura de color ajustada a las necesidades de esa aplicación concreta, y que además cuente en el mercado con los elementos externos necesarios para optimizar su eficacia y su correcto funcionamiento (ópticas de alto rendimiento ajustadas a cada aplicación, drivers de bajas pérdidas de energía, control optimizado para dimerizar y ajustar los parámetros lumínicos, precios competitivos respecto a otras fuentes de luz, estabilidad de la luz emitida en el tiempo, fiabilidad del sistema led…). Todos estos factores a la vez son difíciles y caros de conseguir, aunque como sabemos, conforme pasa el tiempo estamos cada día más cerca de conseguirlo.

Continuaremos con estas cuestiones durante las próximas semanas...

Texto de Alfred Sá

Alfred Sá se dedica a la iluminación desde 1986. Es ingeniero técnico industrial en electricidad y Lighting Designer. Es propietario del estudio independiente NUR L+D, y miembro profesional senior de APDI. En 2015 ha publicado el libro “Aplicaciones del LED en diseño de iluminación”, en el cual iCandela también ha colaborado como media partner.

Más información: alfred-sa@nurlighting.com y www.marcombo.com .