No solo para los que pertenecen al campo o ciencia de la iluminación, nos es hoy en día muy familiar la palabra o sigla LED, que es una abreviación de Light Emitting Diode, es decir, un diodo que emite luz, y que a su vez se ha convertido en un sinónimo de eficiencia energética y un gran avance en el proceso de mitigar el impacto energético actual y futuro en el medio ambiente. Como bien es conocido, el consumo eléctrico de los sistemas de alumbrado público en la red eléctrica de cada país es considerable y sigue aumentando día a día con el crecimiento urbano y expansiones territoriales, afectando no solo el medio ambiente, también los recursos económicos de cada usuario del sistema, quien finalmente es quien paga por este servicio público, es por esto que los avances Tecnológicos en la tecnología LED mitigan estos impactos, logrando con el tiempo reducir los costos mediante evoluciones tecnológicas que van a la vanguardia de la adquisición y actualización de los sistemas de alumbrado público por parte de los operadores del mismo, es por esto que analizar y comparar las diferentes Tecnologías en la fabricación de los Chip LED es fundamental para desmitificar conceptos y presunciones erradas del mercado en el afán de determinar cuál Tecnología es mejor que la otra.
La tecnología LED continúa evolucionado rápidamente, sin embargo, aún se encuentra en etapa de maduración, no sólo en lo referente a los materiales utilizados en su fabricación y encapsulados, sino en lo que respecta a la miniaturización y montaje, venciendo limitaciones físicas de la tecnología actual, aspectos de vital importancia para la disipación térmica y desempeño lumínico, siendo esto un factor determinante en la vida útil de estos dispositivos.
Actualmente los tipos de Chip LED más frecuentes en el mercado del alumbrado público son las tecnologías: SMD (Surface Mounting Device), CSP (Chip Scale Package) y COB (Chip On Board), cada uno con ciertas diferencias, que finalmente son evidentes y lógicas debido a la evolución de la tecnología respectivamente, dichas diferencias recaen en el montaje del chip, el tipo de encapsulado, escalado de la tecnología y la configuración para disipar el calor generado ya que la forma en que esto se gestiona influye directamente en la vida útil del producto que, junto con el ahorro energético, son las cualidades más atractivas de esta tecnología en el Alumbro Público.
La tecnología LED SMD, tal como su nombre lo indica y su montaje lo refiere, es un diodo emisor de luz, el cual está montado directamente sobre la superficie de una placa de circuito impreso. El SMD es la tecnología más utilizada a la fecha entre los fabricantes de LEDs por ser uno de los primeros tipos de encapsulados pensados para luminarias. Por lo general, en este tipo de encapsulados cada LED es independiente, lo que hace que se necesite una placa de PCB/Tarjeta/Board sobre la que se agrupan, fijan e instalan. Entre los Chip LED SMD más comunes se encuentran los Mid-Power y los High-Power:
La Tecnología LED CSP como la FLIP, WICOP, entre otras, son unas de las tecnologías lanzadas en los últimos años al mercado como evolución de los LED SMD, que si bien su forma de montaje o instalación es igual al LED SMD, se diferencia por su encapsulamiento más simple, siendo este más pequeño que su predecesor, lo cual lo hace más eficiente tanto Lumínicamente, como económicamente al reducir los costos de producción, tal como lo apreciamos día a día en la industria tecnológica y la electrónica aplicada, donde vemos cada vez dispositivos electrónicos mas pequeños, mas eficientes y mas económicos:
La Tecnología LED COB es un tipo de encapsulado individual que en su interior se conforma de múltiples LED concentrados en diodos bajo una misma resina fijados desde su fabricación al PCB/Board, que en su gran mayoría estos PCBs son de materiales térmicamente superiores al metal como lo es la Cerámica, de mayor conductividad térmica. Este tipo de LED requiere la más alta tecnología para su fabricación, debido a la miniaturización a una escala poco perceptible al ojo humano, donde usualmente no se logra apreciar la gran cantidad de LEDs que lo componen, por esta razón la creencia divulgada en el Mercado que es Chip LED o diodo individual, lo cual es imposible de crear y/o fabricar en esta escala y tamaño debido a las limitaciones tecnológicas y físicas en la actualidad. Al igual que la Tecnología CSP, al ser tan compactos y la relación cantidad de Chip LED/Potencia los hace más económicos en aplicaciones de Alumbrado Público en potencias medio/altas comparado con Tecnologías como la SMD, CSP, WICOP, entre otras.
Al tratarse de un solo encapsulado, su área es relativamente pequeña comparado con el área requerida para la Tecnología LED SMD en condiciones similares de potencia, la disipación del calor del LED COB es puntual, por ende, su diseño térmico es diferente a las Tecnología predecesoras, aumentando el área de conducción inmediatamente asociada al LED COB y posteriormente distribuir el calor generado hacia los disipadores.
En otras palabras, los LED COB y LED SMD, en la práctica y construcción de Luminarias de alumbrado público su filosofía es similar, pero en escalas o tamaños diferentes, donde para aumentar eficiencia lumínica y potencia, se debe aumentar la cantidad de Chip LEDs, tal como sucedió con los Microprocesadores, donde aumentó años tras año la cantidad de transistores que los componían, incluso, llegando a escalas de construcción a los nano-metros:
Fuente Fotos: Vossloh En cualquier diseño de luminaria LED lo más importante es la gestión y diseño térmico, pues es el parámetro que define la vida útil y nominal del LED, como se espera, es uno de los aspectos más atractivos de esta Tecnología. Contrario a la creencia popular, los diodos LED transforman la mayor parte de la energía consumida en calor y el resto en el espectro de luz visible para el ojo humano. El avance constante en la tecnología incrementa cada vez más la emisión de luz visible y reduce las pérdidas térmicas consecuentemente. Las generaciones actuales del LED ya alcanzan un 40% de transformación de energía en luz visible, sin embargo, se sigue generando un 60% de energía calórica que hay que disipar con un buen diseño del sistema y de esto dependerá tanto la eficacia del sistema (relación Lumen por Vatio) como la vida útil de la propia luminaria.
Entre Tecnologías es erróneo suponer que una tecnología LED genera más o menos calor que la otra, ya que todas parten del mismo dispositivo semiconductor LED el cual genera más calor que la luz visible que emite, finalmente entre Tecnologías y/o configuraciones de LED se logrará modificar en pequeñas proporciones esta relación luz/calor que finalmente se traduce en la Eficacia de la Luminaria (Lumen/Vatio). En otras palabras, entre mas alta sea la eficacia lumínica de la Luminaria evaluada, menor calor genera el LED respecto a Luminarias con menor eficacia lumínica e igual consumo de potencia, pero esto no necesariamente se refleja en el disipador de la Luminaria, ya que esto dependerá del diseño y gestión térmica del producto en sí, donde entre Tecnologías LED existen diferencias sustanciales. Para ilustrar mejor estas diferencias en diseño térmico compararemos dos Tecnologías como los son LED SMD y LED COB:
Comparando tamaño, el módulo LED COB es 11 y 20 veces más pequeño para una potencia igual o mayor al módulo LED SMD respectivamente, de igual forma contiene 12 y 2 veces más LEDs respectivamente, esto nos da una idea de lo diferentes que son las consideraciones térmicas para una fuente tan puntual como es el LED COB donde el reto constructivo para el fabricante de las Luminarias es lograr transmitir efectivamente todo el calor generado en esta área tan pequeña al disipador, diferente a las exigencias de una fuente tan distribuida como lo es el LED SMD, donde el principal reto es lograr la mejor transmisión de calor desde CHIP LED al PCB y esto generalmente no queda en manos del fabricante de las Luminarias y el fabricante del Chip LED SMD. Esta es una de las razones por la cual los módulos LED COB son en algunas ocasiones más económicos que los LED SMD, contando con diseño más compacto para potencias altas en comparación con la tecnología LED SMD.
Las fallas prematuras en los LEDs es un aspecto que preocupa tanto a los fabricantes de los productos, como para quienes los adquieren, pero es una realidad, aunque se tomen todas las recomendaciones, la gestión térmica sea la adecuada, los parámetros eléctricos precisos y las protecciones eléctricas ajustadas, un muy bajo porcentaje de LEDs sufrirán fallas prematuras (como cualquier dispositivo electrónico), la tasa de mortalidad de los LEDs varia de acuerdo a la calidad del fabricante del CHIP LED. Conociendo esta realidad, es muy importante prevenir una falla en cascada o catastrófica del equipo, buscando dejar aislado el diodo LED en falla de los demás diodos del arreglo. Lograr esto dependerá de los criterios técnicos y de ingeniería del diseñador del producto o en algunos casos, de quien adquiere los productos, asumiendo los riesgos que cualquier decisión conlleva. Aislar o no el LED en falla es un aspecto netamente eléctrico, donde el arreglo y disposición de los LEDs en la PCB /Tarjeta realiza esta labor, es importante considerar que cuando el CHIP LED sufre una falla, este se aísla eléctricamente, como cualquier circuito eléctrico/electrónico, el aislarse, la corriente se redirigirá por otros caminos o abrirá el circuito dejándolo des energizado. Algunas practicas entre conexiones y paralelos son:
1.Conexión en Serie entre LEDs: Es la practica más recomendable eléctricamente hablando, debido a que la gran mayoría de LEDs usados en AP son de corriente constante, de esta manera se garantiza la misma corriente por todos y cada uno de los LEDs, evitando sobre cargas entre los LEDs, donde todos estarán en relativo equilibrio eléctrico. En esta conexión, al fallar uno de los Chip LED dejara des energizado por completo la Luminaria y la apagará, esto puede suponer y no un problema para el operador del AP, tener una Luminaria apagada afectara la fiabilidad de todo el sistema e incluso el operador podría acarrearle problemas legales y multas, por otra parte, el producto no sufrirá sobre esfuerzos eléctricos, conservando su vida útil posterior a una reparación, aunque estas reparaciones no son fáciles en estos productos. Este tipo de conexiones se pueden lograr con Tecnologías como la SMD.
2.Conexión en Paralelo entre LEDs: Es la practica menos recomendable eléctricamente hablando, debido a que los LED llevan asociada una impedancia que no es exactamente igual entre ellos, por lo que la corriente que circula a través de ellos no será igual, por ende, algunos LED estarán sometidos a sobre cargas disminuyendo su vida útil (mayor potencia, mayor temperatura, menor duración), posteriormente pudiendo fallar prematuramente. En esta conexión, al fallar uno de los CHIP LED, los otros seguirán funcionando, pero la corriente del CHIP LED faltante se repartirá entre los demás LED, siento esto y no una ventaja, puesto que la luminaria seguirá funcionando, su flujo y potencia se verá afectado de manera no significativa, siendo una ventaja para el operador del AP, pero dependiendo del numero de LEDs del producto, y la capacidad de los mismos, esto podría ser un problema a mediano plazo, donde los demás LEDs estarán sometidos a sobre cargas que disminuirán su vida útil, una falla en cascada y catastrófica tendrá lugar. Entre mayor número de LEDs tenga el producto, menor será el impacto de estas sobre cargas. Este tipo de conexiones se pueden lograr con Tecnologías como la SMD.
3.Conexión Serie-Paralelo entre LEDs: Es una práctica poco recomendable eléctricamente, y es de las más comunes usadas en la industria de la iluminación, donde se realizan configuraciones de CHIP LED en conexiones entre las serie y paralelo. Esta conexión tiene un serio problema, ya que al fallar un CHIP LED, los demás LEDs que están en la conexión en serie se apagarán, permitiendo así que la corriente se redirija a las demás conexiones en paralelo, sobre cargándolas y aumentando el riesgo de una falla en cascada. Para los operadores de AP, aunque la potencia y flujo se verán afectados en menor medida, la Luminaria continuara funcionando, pero el riesgo de una falla catastrófica en el corto y mediano plazo es muy alto. Este tipo de conexiones son comunes en Tecnologías como la SMD.
4.Conexión Matricial entre LEDs: Es la práctica más recomendable eléctricamente hablando para Módulos LED, ya que todos los LEDs están interconectados entre ellos tantos en serie como en paralelo. Esta conexión compensa eléctricamente las impedancias entre LEDs, logrando un buen equilibrio eléctrico, evitando las sobre cargas. Tal como la ilustración lo indica, la falla de un CHIP LED, permite que solo la corriente de este dispositivo se redirija a los demás LEDs, y aunque algunos LEDs del arreglo estarán sobre cargados, esto permitirá que los demás LEDs continúen operando, dándole como ventaja al operador del AP que el producto seguirá encendido y su flujo y potencia mínimamente se verán afectados, este riesgo se ve mitigado al aumentar en decenas o centenas la cantidad de LED del arreglo matricial. Este tipo de conexión son muy común en Tecnologías como la COB y SMD:
Actualmente para determinar y verificar la vida útil de las Luminarias, el Mercado ha adoptado el ensayo bajo la Norma Internacional IESNA LM-80 el cual mide las características Lumínicas del CHIP LED en el tiempo entre 6.000hrs y 10.000hrs o más, con valores de corriente eléctrica y temperatura definidos y constantes en el ensayo, de igual forma se complementa con el método de calculo por medio de extrapolación matemática bajo la norma IES TM-21, el cual con base en el ensayo LM-80 estima la depreciación del flujo lumínico del CHIP LED de acuerdo a las horas de servicio que se desee estimar, la temperatura del LED en la Luminaria y la corriente eléctrica a la que está sometido. Es importante recalcar que la vida útil de la Luminaria, tal como hoy en día el mercado lo está estimando, es mediante el ensayo de vida útil del CHIP LED, el cual se realiza en condiciones diferentes al producto y aplicación real, es por esto que es una proyección teórica e indicativa, más no definitiva. En este orden de ideas, el ensayo y resultado de la estimación de la vida útil del CHIP LED bajo la LM-80 en sus diferentes Tecnologías SMD, CSP, COB, WICOP, etc, son diferentes entre si debido a la fabricación del mismo, las Tecnologías SMD se ensaya bajo un PCB/Tarjeta diferente al que finalmente estará ensamblado en un módulo LED SMD comercial e instalado en una Luminaria de AP, donde aspectos como el material, la calidad del PCB, las buenas prácticas de soldadura de aplicación del LED en el PCB, entre otros, influyen en los resultados. Tecnologías como la LED COB donde el PCB/Tarjeta son parte necesaria y obligatoria en la fabricación y producción del mismo, tanto en los ensayos bajo la prueba LM-80 como los productos que lleven consigo este tipo de LED COB son iguales, procurando mejor fiabilidad en los resultados de estimación de vida útil que otras Tecnologías.
Desde el punto de vista óptico, la emisión de luz del COB se realiza desde un solo punto, lo cual evita la propagación de múltiples sombras sobre los cuerpos iluminados, cosa que sí ocurre con las tecnologías de SMD o CSP.
