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viernes, diciembre 3, 2021

Iluminación de estado sólido para interiores/exteriores (1): ¿una realidad?

Por Oracio Barbosa

Nuevos y mejores sistemas de iluminación para nuestras actividades nocturnas son una necesidad, sobre todo que sean económicos, que tengan el menor consumo de energía eléctrica, y que a la vez nos proporcionen la mejor iluminación.

Para que un sistema de iluminación sea mejor se busca que emita la mayor cantidad de luz con el menor consumo de energía, este concepto es el de “eficacia”. La eficacia se mide en lúmenes/watt (lm/W); siendo el lumen una medida de la cantidad de “luz visible” en cierto ángulo o bien la emitida por una fuente de luz dada, mientras que el watt es la unidad de potencia o bien la cantidad de energía entregada/consumida por segundo. De esta manera, entre mayor sea la cantidad de lúmenes y menor la cantidad de watts consumidos, mayor será la eficacia de la fuente luminosa.

Las eficacias de las primeras fuentes de luz para iluminación eran de unos cuantos lm/W sin llegar a 5; y hablamos de antorchas, quema de leña/carbón, o velas de cera o de grasa animal. La eficacia de las fuentes de iluminación se mejoró hasta principios del siglo XIX cuando se introdujo las lámparas de gas que sustituyeron a las lámparas de petróleo. También al inicio de ese siglo se fabricaron las primeras lámparas eléctricas mediante el uso de electrodos para generar arcos de luz (chispa constante entre los electrodos) mediante diferencias de voltaje.  Estas lámparas mejoraron su eficacia cuando se introdujo el filamento, pero trascurrieron varios años, de 1880-1920, para lograr un filamento adecuado y pasar de eficacias del 1.7 lm/W al 15 lm/W.

Los sistemas de iluminación de lámparas mediante arcos de corriente también se mejoraron durante ese tiempo logrando eficacias hasta de 35 lm/W. Cuando se utilizó el sodio en tubos de alta presión se obtuvieron eficacias del 100 lm/W, esto hacia los años de 1950.  También se popularizaron las llamadas lámparas fluorescentes, como las que conocemos aún hoy en día, las cuales fueron introducidas al mercado en la tercera década del siglo XX con eficacias también de 100 lm/W. Estos valores en eficacias perduraron por el resto de ese siglo y no fue sino hasta la década de los 90 que se realizó un cambio en los sistemas de iluminación, hablamos de los LEDs (light emitting diodes).

El primer reporte sobre estas nuevas fuentes de luz, LEDs, es del año de 1927 por el científico ruso Oleg Losev.  Sin embargo, el primer LED comercial en el visible con color rojo se fabricó hasta 1962 por Nick Holonyak de General Electric.  Desde esa década de los años 60 son populares las luces “piloto” de color rojo (de prendido-apagado), así como los primeros relojes que marcaban la hora con números rojos, o bien los números en las pantallas de diversos instrumentos electrónicos.  Fue hasta la última década del siglo XX cuando se inventó el LED azul y por lo cual sus autores merecieron el premio nobel en 2014 Shūji Nakamura, Isamu Akasaki y Hiroshi Amano.  Con este LED, que era muy brillante, se pudo emplear conjuntamente con fósforos para producir luz blanca; a partir de ahí dio inicio los sistemas de iluminación LED.  Observe que para que la iluminación mediante LEDs fuera posible tuvieron que transcurrir un poco más de 60 años en contraste con los siglos que transcurrieron para obtener lámparas incandescentes. La eficacia que proporciona un sistema de iluminación LED es muy superior a cualquier otro sistema y es alrededor de 200 lm/W; este valor es el mucho mayor que la eficiencia de los focos incandescentes que era en promedio de 10 lm/W.  Los costos de producción de estos sistemas LED van a la baja y el beneficio que nos ofrecen es enorme. En los países del primer mundo la fabricación y venta de lámparas incandescentes, focos, ha quedado suspendida a fines de la primera década de este siglo debido a la baja eficacia de las mismas comparadas con los LEDs.  Seguramente dentro de poco tiempo las lámparas fluorescentes serán también prohibidas debido mayormente por su contenido de mercurio.

El LED azul es un material con propiedades semiconductoras similares a las de silicio.  Con el silicio se fabrican los chips de las computadoras, teléfonos celulares, radios y muchos otros equipos electrónicos.  El uso del silicio o de las propiedades semiconductoras de los materiales revolucionó la electrónica que sustituyó las llamadas válvulas de vacío ó bulbos, haciendo mucho mejores y más compactos a los equipos electrónicos.  Los llamados bulbos consumían enormes cantidades de energía eléctrica, eran frágiles y voluminosos y además generaban demasiado calor que acortaba el tiempo de vida de los equipos electrónicos. Esta nueva era se inició a fines de los años 50 y desde entonces se ha identificado como la electrónica de estado sólido.  Siendo el LED azul un semiconductor entonces se puede hablar de sistemas de iluminación de estado sólido, lo cual es una tecnología completamente nueva a la desarrollada con anterioridad; sin embargo, el avance científico-tecnológico continua en sistemas de iluminación de estado sólido, pero ahora con semiconductores orgánicos. Continua en la próxima entrega.

En esta figura se muestra la evolución en eficacia de las fuentes de iluminación a partir de la invención del filamento incandescente; actualmente el sistema de iluminación de estado sólido, LED, tiene la mayor eficacia para sistemas de iluminación. La eficacia antes del año de 1880 era en promedio de 10 lm/W. La escala vertical es logarítmica en lm/W y la horizontal el tiempo en años.

 

 

 

Columna del CIO
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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