Conceptos Básicos del LED - premiumlightpro.es · 4 • Los LED son diodos semiconductores que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. • El material semiconductor

Conceptos Básicos del LED

Elaboración: ISR - Universidad de Coimbra - Julio 2017 Traducción: Ecoserveis - Noviembre 2017

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Sobre Ecoserveis

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• Dinamización comunitaria

• Intervenciones energéticas

Nuestras líneas de actuación ¿Quiénes somos?

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Radiadores de Estado Sólido: son fuentes de luz donde la luz se crea dentro de materiales de estado sólido. • El fenómeno fue descubierto en 1907. El primer producto basado en él se desarrolló

en 1962. • Aunque los LED son una tecnología relativamente antigua, han sufrido un salto

dramático en la década de 1990 debido a:

• nuevos materiales semiconductores desarrollados en la búsqueda de láseres rojos, verdes y azules, InGaP/GaAs, GaInAlN/GaN

• innovaciones en el packaging, mejora del disipador de calor y diseños más avanzados de reflectores

• avances en la unión de las obleas y sustratos transparentes para una mejor extracción de la luz

Conceptos Básicos del LED Introducción

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• Los LED son diodos semiconductores que permiten que la corriente fluya en una sola

dirección.

• El material semiconductor está en capas en forma de unión p-n. Cuando se aplica una tensión adecuada a los cables, los electrones pueden recombinarse con los agujeros dentro del dispositivo, liberando energía en forma de fotones. De ahí el nombre de diodo emisor de luz o LED.

• Todos los diodos pueden emitir radiación electromagnética. Los materiales semiconductores utilizados en los LED se seleccionan para emitir en el rango visible.

• Diferentes materiales producen luz con diferentes longitudes de onda y, por lo tanto, diferentes colores.

Conceptos Básicos del LED ¿Cómo funciona un LED?

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• El material n tiene un exceso de electrones (que son electrones libres), mientras que el material p tiene electrones que faltan, es decir, agujeros.

• La aplicación de un voltaje a través de la unión p-n mueve electrones hacia la unión de los dos materiales.

• Los electrones del material n se introducen en los agujeros del material p. Al hacerlo, el electrón pasa de un nivel de energía alto a uno más bajo, emitiendo la diferencia de energía en forma de luz o calor.

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LEDs Blancos

Conceptos Básicos del LED LEDs Blancos

Luz Blanca

Luz Blanca

Luz Blanca

Creación de luz blanca

LED Azul o UV LEDs Multicolor LEDs de color y PC

Fósforos Óptica de mezcla de color Óptica de mezcla de color

LED DE FOSFORO CONVERTIDO

Los fósforos se usan para convertir la luz azul o casi ultravioleta del

LED en luz blanca

LED DE VARIOS COLORES Mezclando la cantidad

adecuada de luz de roja, verde y azul, los LEDs producen luz

blanca

LED DE MÉTODO HÍBRIDO Un enfoque híbrido usa los dos tipos: de fósforo convertido y

LED monocromáticos discretos

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Led de Fósforo Convertido (PC-LED) • Para la mayoría de las aplicaciones, la luz blanca de los LED se produce a partir de

un chip azul. Este chip también produce longitudes de onda más cortas (invisibles) que estimulan un recubrimiento de fósforo para que produzca luz blanca.

• El aumento en la región amarilla es el recubrimiento de fósforo cuando el LED está apagado.


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LEDs Rojos, Verdes y Azules • Una forma de producir luz blanca es combinar chips RGB juntos en un solo punto.

Esto no produce resultados tan buenos ya que, con el tiempo, los colores se degradan a diferentes velocidades y, por lo tanto, el aspecto blanco se vuelve de color.

• Los LED son más eficientes en la producción de luz de color porque no hay pérdidas debido a la luz blanca que se filtra en otros casos.

• Controlando cuidadosamente la salida de cada chip Rojo, Verde y Azul (RGB), se puede lograr casi cualquier color, incluyendo Blanco cálido y frío.


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LED Blancos Regulables De manera similar a la forma en que se puede variar la intensidad de la luz atenuándola, los LED Blancos Regulables permiten un ajuste infinito de la temperatura de la luz. Desde luz "blanca cálida" a “blanco fresco“. Los colores de luz pueden variar en un rango entre 1.700 K y 6.500 K. Los controladores de última generación y los dispositivos de control de la luz permiten ajustar con precisión las temperaturas de la luz para adaptarse a las circunstancias dadas, no solo en entornos comerciales y de oficina, sino también en instalaciones médicas y otras aplicaciones.


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Packaging de LED

Conceptos Básicos del LED Packaging de LED

SMD LED CoB LED 5mm LED

Los chips de LED se pueden implementar en distintas formas a través de varios métodos de packaging:

• LEDs de 5 mm • Dispositivos Montados en Superficie (SMD) • Chips en Placa Base (CoB)

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Conceptos Básicos del LED Packaging de LED

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Eficiencia • La energía que no se libera como luz radiada se disipa en forma

de calor y se pierde. Esta es la eficiencia interna del LED.

• Parte de la luz se pierde dentro del material semiconductor debido a efectos como la reflexión interna total, la absorción, las sombras que aparecen en los contactos, etc., dando como resultado que solo una cierta porción de la luz sea la que sale. Esta es la eficiencia de extracción del LED.

• La eficiencia general de un LED es la combinación de la eficiencia interna y de extracción del LED.

Conceptos Básicos del LED Propiedades del LED

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Eficacia Los LED son altamente eficientes cuando nos referimos a los lúmenes emitidos por vatio de electricidad consumida. En el mercado actual, las lámparas LED más eficaces pueden operar aproximadamente a 150 lúmenes por vatio.

Conceptos Básicos del LED Eficacia del LED

Las barras sombreadas muestran el potencial de mejora adicional con LED azules o violetas de fósforo (PC-LED), mezclas híbridas que contienen emisores rojos adicionales (HY-LED) y con cuatro o más emisores primarios que cubren todo el espectro (RGBA CM -LED).

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Eficacia – Disponible en el mercado (Mediados-2017)

Conceptos Básicos del LED Eficacia del LED

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Los siguientes aspectos son importantes para incrementar la eficiencia de los LEDs: • Avances en materiales con mejor banda prohibida. • Mejores técnicas de fabricación para reducir costes y aumentar la

eficiencia. • Mejoras en disipación de calor • Mejor extracción de luz de los materiales de los diodos. • Mejoras en el fósforo usado para transformar la luz visible.

LED Conceptos básicos LED Eficiencia

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Conceptos Básicos del LED Sistema de Iluminación Total

Controlador/Balasto Fuente de Luz Luminaria

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La eficacia del sistema de iluminación puede verse afectada por: 1) La eficiencia del Controlador 2) La eficiencia de la Luminaria/Sistema 3) Mantenimiento/Desgaste de Lumen

Conceptos Básicos del LED Sistema de Iluminación Total

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Las fuentes de luz fluorescentes y las de descarga de alta intensidad (HID) no pueden funcionar sin un balasto, ya que les proporciona el voltaje de arranque y limita la corriente eléctrica que fluye hacia la lámpara. Análogamente, los LED requieren una fuente de alimentación (comúnmente llamada "controlador"). La fuente de alimentación convierte la tensión de línea (AC) a la tensión y corriente continua apropiadas.

Conceptos Básicos del LED Controladores

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• A diferencia de un transformador, que suministra una tensión constante (la corriente varía dependiendo de la carga eléctrica), el controlador mantiene una corriente constante a través de los LED y es el voltaje a la salida del controlador el que varía.

• El controlador también protege los LED ante las fluctuaciones del voltaje de suministro y "picos" ocasionales de voltaje.

• Los controladores se pueden integrar en la lámpara, ubicada dentro de la luminaria, como un componente separado de la luminaria o a cierta distancia.

• Los controladores se pueden usar para cambiar colores (en este caso, tienen tres terminales de salida para LED RGB), para atenuar y regular.

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Eficiencia del Controlador

• Los dispositivos de alta calidad tienen una eficiencia superior al 85% (η ≥ 0.85).

• ¡También es importante el consumo de standby del controlador! • También son preferibles un factor de potencia elevado y una baja

distorsión armónica.

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Hay varios parámetros relevantes a la hora de seleccionar la luminaria adecuada para una aplicación: • La apariencia • La distribución de luz necesaria • ¿Existe la necesidad de una combinación de iluminación directa e

indirecta? • ¿Hay necesidad de dirigir la luz con reflectores? • Control de deslumbramiento, la distribución de iluminación y la

iluminancia (lux) siendo tan eficiente como sea posible. • ¿Hay la necesidad de controlar la iluminación?¿ Y qué tipo de

controles se necesitan? • Facilidad de mantenimiento, incluyendo la limpieza, resistencia a la

suciedad, intercambio de componentes, diseño modular y reparación.

Conceptos Básicos del LED Luminarias

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Luz emitida por luminarias LED con diferentes anchos de haz de luz


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Luz emitida por un LED (luminarias) La luz atrapada y la ineficiencia de la reflexión son la primera causa de una menor luz que sale de las lámparas tradicionales.


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Temperatura y Luz proyectada por un LED • La luz de los LED se ve afectada por la temperatura, reduciéndose a

medida que aumenta la temperatura del chip. • La diferencia entre la luz de un chip que funciona a 25°C y otro a 125°C

puede ser tan alta como un 50%. • Reducir la temperatura de funcionamiento del LED aumenta su vida útil.


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Luz emitida por un LED (luminarias)

• Uno de los aspectos más importantes para conseguir un alto rendimiento lumínico de un LED es asegurarse de que esté instalado en una luminaria bien diseñada.


Debe estar diseñado para que el calor se aleje rápida y fácilmente de los LED

• Colocación de aletas de aluminio en la parte posterior de la luminaria;

• Para lámparas de alta potencia: se pueden usar pequeños ventiladores instalados para soplar aire a través de las aletas;

• Se puede usar líquido refrigerante, similar al que se usa en los radiadores de los automóviles.

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Luz emitida por un LED (luminarias) Ejemplos de aletas de refrigeración.


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El factor de eficacia de la luminaria (LEF, por sus siglas en inglés), también conocido como relación de eficacia de la luminaria, mide la salida (en lumen) de un dispositivo en función de la potencia de entrada, permitiendo las comparaciones entre dispositivos. Cuanto mayor sea el LEF, más eficiente será la luminaria.

𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 =𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 × ∅𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠 × η𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑃𝑃𝑑𝑑𝑖𝑖

ηdriver - Eficiencia del balasto o del controlador LED

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Las Luminarias juegan un papel importante

Conceptos Básicos del LED Eficacia de LED + Luminaria

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La vida de un LED • Contrariamente a la mayoría de las lámparas convencionales, en los

accesorios bien diseñados, los LED no fallan bruscamente (o catastróficamente). Lo habitual es que su potencia luminosa se deteriore con el tiempo.

• Por lo tanto, el tiempo de vida se basa en el factor de mantenimiento de la luz de la lámpara (LLMF), que es la cantidad de luz de la fuente de luz en un momento específico en el futuro.

• La vida útil se conoce como Lxx, donde "xx" es el porcentaje de luz restante después de un cierto número de horas de uso. Ejemplo: L70 a 60.000 horas significa que pasadas 60.000 horas de

uso, el LED emitirá el 70% de la luz que era capaz de emitir originalmente.


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La vida de un LED • Con la llegada de las luminarias LED, se han establecido diferentes

estándares y terminologías para definir la vida útil de las lámparas convencionales;

• IEC 62717 => Módulos LED para iluminación general – Requisitos de Funcionamiento

• IEC 62722-2-1 => Requisitos particulares para luminarias LED • LM80-08 => Medición del mantenimiento de lúmenes de fuentes de luz

LED • TM21 => Método de estimación del tiempo de degradación del lumen

para fuentes de luz LED • LM80 es el estándar aprobado para medir el mantenimiento del flujo

luminoso de los LED, basado en un período de prueba de al menos 6.000 horas;

• El TM21 toma toda esta información, y se usa para aplicar una estimación de la vida útil que tendrá una luminaria LED.


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La vida de un LED – Mantenimiento del flujo (Lumen) • Los resultados de las pruebas proporcionados por el estándar estadounidense LM-80,

tales como lo son el L90, L70 y L50, son utilizados por muchos fabricantes de lámparas LED, para establecer los umbrales de mantenimiento de lúmenes de las luminarias LED.

• El estándar LM-80 requiere: 6.000 horas de prueba (se recomiendan 10.000 horas) Prueba a tres temperaturas de la superficie: 55 ° C, 85 ° C y una tercera determinada por el

fabricante, para ver los efectos de la temperatura en la luz Condiciones de prueba adicionales para garantizar resultados consistentes y comparables.


• Los principales fabricantes de LED prueban sus productos al LM-80 un mínimo de 6.000 o 10.000 horas, y luego aplican metodologías de extrapolación como se describe en TM-21 para estimar las cifras L90, L70 y L50.

• Los fabricantes de luminarias traducen estas curvas en curvas específicas de luminarias LED, teniendo en cuenta el diseño de la luminaria.

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La vida de un LED – Valores L y B • El valor L indica el porcentaje de lúmenes iniciales que son emitidos

por una luminaria LED en un tiempo específico; • Por ejemplo, una luminaria LED cuyas especificaciones indican que

tiene una vida de L90 a 50.000 horas, significa que pasadas 50.000 horas de uso, los lumens emitidos serán el 90% del valor inicial;

• La salida de luz de los chips LED decrece con un ritmo ligeramente diferente. El valor B define el % de chips LED que emitirán luz por debajo del umbral del valor L;

• Los chips restantes puede que estén por encima del valor umbral. Un valor de B50 indica el rendimiento mediano de una lámpara con un 50% de los chips por debajo del nivel de luz establecido (valor L), mientras que el resto estarán cumpliendo o por encima de este valor.


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La vida de un LED – Vida de la Luminaria

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LED retrofit lamps • Retrofiting lamps into existing luminaires is a quick and easy way to

save energy. • It is quite often possible to improve the quality of the light. • Payback period often less than two years

Conceptos Básicos del LED Retroadaptación LED

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Lámparas LED de sustitución directa


Tipos de Lámparas

LED

Bombillas LED distribuyen la luz en todas direcciones

LEDspot PAR distribuyen la luz mediante

un flujo preciso hacia un punto

LEDspot distribuye la

luz en un punto preciso

Cápsulas LED emiten una luz brillante intensa

en todas las direcciones

Tubos LED distribuyen la luz de manera

suave

Velas LED distribuyen la

luz en un resplandor o brillo suave

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Al realizar la readaptación, deben tenerse en cuenta varios aspectos. Por ejemplo, cuando se reemplaza una lámpara fluorescente T8 por un LED T8:

• ¿La lámpara LED T8 nueva, es adecuada para la luminaria que fue desarrollada para reflejar la fotometría específica de una lámpara tubular fluorescente T8?

• ¿El nuevo LED T8, tiene una buena disipación de calor? • ¿El ángulo del haz de la lámpara LED afectará la uniformidad de

la luz en la habitación? • ¿Cuántos lúmenes tiene? ¿Es necesario instalar más luminarias

para entregar los mismos lúmenes que antes? • Lámpara fluorescente T8 de 36W (1200mm) => 3350 lm (93lm/W) • Lámpara LED T8 de 16W (1200mm) => 1920 lm (120lm/W)


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• En comparación con el flujo del tubo fluorescente, el tubo LED normalmente emite solo un 50-60% de la luz, en un ángulo de haz más pequeño (135-160°), mientras que el tubo fluorescente irradia a 360°.

• Dependiendo de la luminaria, la geometría de la instalación y la aplicación, el hecho de que el ángulo de haz del tubo LED sea más pequeño, normalmente compensa el menor flujo directo debajo de la luminaria, con previsión de la cantidad de iluminación requerida. Anotar que el cálculo de la luz original ya no es aplicable, ya que la geometría de la luminaria y el reflector solo proporcionan una distribución de luz y una reflectancia óptimas en la habitación cuando al utilizarse el tubo fluorescente.

• La solución LED podría ser rechazada ya que el cliente podría experimentar puntos negros en la habitación con muy poca luz.


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Bombillas LED


• Las bombillas LED son el tipo más popular vendido en Europa y presentan grandes oportunidades de ahorro de energía.

• Su larga vida y ahorro de energía las convierten en una propuesta muy atractiva para clientes domésticos y comerciales. • Se utilizan principalmente en pantallas de lámparas, lámparas de mesa y luminarias de pie. Hay disponibles modelos con posibilidad de atenuación o con intensidad fija.

Potencia consumida (W)

Equivalente Incandescente (W)

Luz emitida (lumens)

Vida útil media (horas)

6 40 470 25.000

10 60 800 25.000

12 75 1100 25.000

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LEDspot PAR


• Iluminación diseñada para tiendas o tareas concretas

• Amplia gamma • Atenuables • Fresco, ligero, elegante • 45.000 horas de vida útil

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Tubos LED


• Elección de color con 80-90 CRI • Larga vida útil > 25.000 horas • Elección del controlador integral o

externo • Controlador Integral:

Baja potencia Mayor ahorro de energía Mantenimiento reducido

• Fácil sustitución • Controlador incorporado • Controlador externo:

Mayor emisión de luz Mayor eficiencia Vida útil más larga

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Velas LED


• Iluminación decorativa • Diseño elegante en forma de vela • Color cálido • Óptica refractiva clara • Regulable • >80% de ahorro de energía • Tiempo de vida medio nominal de

25.000 horas

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LEDspot


• Para iluminación de ambiente o focal • Resuelve los inconvenientes de

energía y mantenimiento que conlleva una bombilla halógena puntual

• Alta velocidad de propagación del haz

• Funciona con un controlador electrónico o un transformador magnético

• La lámpara bi-pin puede instalar un controlador regulable

• 25.000 horas de vida media.

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Elegir la lámpara correcta antes de sustituir Características que deben comprobarse antes de actualizar un producto:

Tipo de rosca o base de la bombilla Atenuación Compatibilidad con los transformadores Dimensiones físicas


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Tipo de rosca o base de la bombilla • Las lámparas de potencia más pequeñas están disponibles para una

amplia gama de casquillos o bases diferentes. • Los pins pueden tener un diámetro o distancia diferentes. • De manera similar, las bases de tornillo están disponibles en diferentes

diámetros.


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Controlador / Atenuador • Algunas marcas de tecnología de controlador electrónico LED no son compatibles

entre sí. • La compatibilidad del atenuador es de gran importancia, ya que muchos productos

LED a menudo no son completamente compatibles con los atenuadores que normalmente se encuentran instalados. Dado que los fabricantes todavía están tratando de definir y adaptar un atenuador estándar, es probable que la compatibilidad de los LED con los reguladores de luz siga siendo un problema.

• ¿La instalación tiene un sistema de atenuación? Si es así, necesita comprar LEDs que sean compatibles. No todas las lámparas LED son regulables.

• Algunos LED atenuables son físicamente más grandes que los que no lo son. • Si la instalación existente no tiene un sistema regulable, puede valer la pena instalar

bombillas con posibilidad de atenuación, para que el cliente pueda introducir un sistema regulable más adelante y ahorrar energía adicional.

• Algunas bombillas de retroadaptación LED pueden funcionar en casi todos los atenuadores, pero otras solo funcionarán en algunos. Es recomendable verificar siempre la compatibilidad con el sistema de regulación antes de instalar por primera vez este tipo de bombillas.

• Compruebe si el LED puede atenuarse a un nivel bajo, ya que algunos empiezan a parpadear por debajo del 30% de luz.


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Dimensiones Físicas • Aunque la base de la lámpara podría ser correcta, no todas las bombillas

tienen el mismo tamaño físico. • Es necesario asegurarse de que la nueva bombilla encajará dentro del

portalámparas. • En los downlights de pared, es necesario verificar que el mecanismo de

soporte de la lámpara acepte la retroadaptación


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Inconvenientes

• Mayor coste inicial. Actualmente, las bombillas LED tienen un alto precio, en ocasiones al límite de lo asequible, en los mercados de iluminación para el hogar. No obstante, el creciente uso generalizado de bombillas LED en hogares y oficinas está reduciendo los precios rápidamente.

• Gestión térmica. Los LED requieren una gestión térmica y evacuación del calor muy eficientes, sin los cuales la temperatura de unión del LED aumentará, llevándolo a una falla prematura.

• Mantenimiento de color. Los LED pueden cambiar de color debido a la edad y la temperatura.

• Peso en comparación con lámparas fluorescentes compactas y lámparas incandescentes. La mayoría de las bombillas LED incorporan un disipador de calor de metal integrado. Esto las hace más pesadas que las lámparas CFL y las de filamento de tamaño similar. El peso adicional puede requerir luminarias más robustas para llevar a cabo la retroadaptación.

Conceptos Básicos del LED Ventajas y Inconvenientes

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Ventajas

La alta eficiencia de los LED genera importantes ahorros de energía. Menor coste del ciclo de vida – a pesar del mayor coste inicial, cuando se considera el

coste total de propiedad (incluidos los costes de energía y mantenimiento), los LED superan con creces las tecnologías convencionales.

Más fiables - los LED fallan con menos frecuencia, duran más y emiten una luz de espectro completo más sólida, sin parpadeos.

Los LED son ideales para su uso en aplicaciones sujetas a frecuentes ciclos de encendido y apagado, a diferencia de las lámparas fluorescentes, que se funden más rápidamente cuando se conmutan a menudo, o las lámparas HID, que requieren un tiempo prolongado antes de reiniciarse.

Los LED se pueden atenuar fácilmente Como una mayor parte de la energía consumida se convierte en luz visible, menos se

convierte en pérdidas de calor. Esto puede reducir los costes del aire acondicionado en establecimientos y hogares que reemplacen muchas bombillas incandescentes y CFL por unidades LED.

Funcionamiento silencioso – las lámparas LED consiguen una iluminación prácticamente sin ruido. Incluso cuando se alimenta con un atenuador de luz, los zumbidos o silbidos de cualquier tipo son prácticamente inapreciables.


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Ventajas

Amplia gama de temperaturas de color - a diferencia de las bombillas incandescentes, los LED están disponibles en varias temperaturas de color y, en algunos modelos, incluso se pueden controlar los colores.

Excelente reproducción del color - los LED no eliminan los colores como otras fuentes de luz (por ejemplo, los fluorescentes), lo cual los hace perfectos para pantallas y aplicaciones comerciales.

Los LED no contienen mercurio, a diferencia de las lámparas fluorescentes compactas.


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Socios de Premium Light Pro

Financiado por la Comisión de la Unión Europea (UE) en el marco del programa Horizonte 2020

Socios de la UE

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Socios de Premium Light Pro

Nombre País Organización Email Bernd Schäppi Austria Austrian Energy Agency

www.energyagency.at

[email protected]

Michal Stasa República Checa SEVEn

www.svn.cz

[email protected]

Caspar Kofod Dinamarca EnergyPiano [email protected] Anibal T. De Almeida Portugal Institute for Systems and

Robotics, University of Coimbra [email protected]

Stewart Muir Reino Unido Energy Saving Trust

www.energysavingtrust.org.uk/

[email protected]

Boris Demrovski Alemania CO2ONLINE

www.co2online.de

[email protected]

Andrea Roscetti Italia Politecnico Milano http://www.energia.polimi.it/index.php

[email protected]

Aniol Esquerra España Ecoserveis

www.ecoserveis.net

[email protected]

Łukasz Rajek Polonia FEWE The Polish Foundation for Energy Efficiency

www.fewe.pl

[email protected]

http://www.energyagency.at/

http://www.svn.cz/

http://www.energysavingtrust.org.uk/

http://www.co2online.de/

http://www.energia.polimi.it/index.php

http://www.energia.polimi.it/index.php

http://www.ecoserveis.net/

http://www.fewe.pl/

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¡Muchas gracias!

Contacto: [email protected]

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