Artículo técnico | Mitos y verdades sobre la vida útil del led

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Por Alejo Joaquín Arce
Trivialtech
¿Mito o verdad?

Que los leds ahorran más que otras fuentes, que son mejores para el medioambiente, que no necesitan reemplazo o que duran para siempre son solo algunas de las afirmaciones acerca de los leds que se escuchan diariamente en el mercado. Sin las debidas aclaraciones, se trata de solo de mitos o pseudoverdades.

Los hechos

El Sol es una fuente original e inagotable (para nosotros seres vivos y de corta edad respecto del sol) de luz y energía. Solo para cuando no está (porque está nublado, porque es de noche o en espacios interiores donde no es suficiente), se hace necesario recurrir a otras formas de iluminación. En la naturaleza existen elementos a los que el hombre ha recurrido tradicionalmente para darse luz: cebo, cera, resina, aceite, grasa, petróleo, gas, kerosene, etc., cada uno con propiedades diferentes y aportando distintos tipos de luz. Luego, llegó la electricidad a los hogares y con ella, las lámparas de filamento primero (carbono, tungsteno, wolframio, halógenas, etc.), las de descarga (SBP, SAP, SUP, MHI, HQI, MSD, MSR, CDMT, CDO-TT, etc.), fluorescentes, plasma, láser y ahora, las led.
La iluminación proveniente de la lámpara o luminaria led es el resultado de un gran conjunto de componentes que lo asisten: disipador, driver, carcasa, óptica, protectores, auxiliares. Dependerá entonces de la calidad de cada uno de estos componentes, el rendimiento general del sistema (sea una lámpara o luminaria led). Pero también dependerá de su tipo, pues los leds no son todos iguales.
Un led puede ser de alta, baja o media potencia; y pueden luego estar agrupados de diferentes formas, como puede ser COB (chip en placa) que se caracterizan por agrupar muchos chips en un área muy pequeña, MCPCB (placa de circuito impreso de núcleo metálico) que adhieran a Zhaga, un consorcio de estandarización de modulos o placas con leds entre otras cosas.

Los resultados obtenidos por medio de LM-80 y TM-21 solo proveen la información del componente led otorgada por el fabricante, como componente discreto. Nada dicen del módulo led final o de la luminaria completa.

Figura 1 MCPCB custom, que son placas diseñadas y realizadas por los propios fabricantes.
MCPCB off the shelf, que son placas o módulos diseñados por una marca y que luego los fabricantes de luminarias pueden comprar y utilizar en sus modelos.
Sumada a la variabilidad que encontramos en este breve desglose de tipologías de agrupamientos de chips led, podemos ahondar también en el gran acervo que nos ofrece los otros componentes ya que por ejemplo la óptica puede ser lente TIR (reflexión interna total) o un reflector, y pueden dar protección IP/no-IP; el driver puede ser de corriente constante, dimerizable, uno, dos o más canales, y la disipación térmica puede darse por disipación pasiva o activa.
Rendimiento y fiabilidad de una lámpara o luminaria led dependerá absolutamente de todos y cada uno de estos componentes y como ellos interactúen entre si. Con esto ya estamos dando luz sobre la afirmación “los leds son mejores” y podemos dejar que cada lector comience a elaborar su conclusión.

Cómo protegernos

La forma de garantizar es mediante el conocimiento de estos componentes, en medida de lo posible y datar con precisión sus beneficios respecto de otras formas de iluminación a través de los ensayos, pruebas de campo y el asesoramiento al realizar los proyectos de iluminación.
El conocimiento en profundidad de esta tecnología es el puntapié inicial para poder comprender toda la información que existe y poder discernir entre buenos y malos productos.
Los ensayos previos a la compra son el único método fiable para conocer el comportamiento de los productos en situaciones de trabajo adversas y para estimar el comportamiento real en el ambiente deseado ya que no basta solamente con las certificaciones en materia de seguridad eléctrica y las declaraciones de conformidad de los fabricantes que nada dicen del comportamiento real de sus productos. Claro está, que conseguir dichos ensayos no es tarea fácil e incluso puede que muchos se nieguen a mostrarlos siquiera.

Ejemplo de resultados que entrega LM-80

Los ensayos realizados por el INTI (Anexo 4 del PLAE) proveen una evaluación más completa del rendimiento y comportamiento futuro ya que involucra a todos los componentes y módulos finales. Pero no llega a predecir la durabilidad del driver y otros accesorios.

Es por esto que a la hora de llevar adelante un proyecto de iluminación, el asesoramiento de profesionales idóneos y actualizados en estas tecnologías y el análisis completo de la obra es fundamental para seleccionar la solución. En Argentina hoy en día, el rol del Diseñador de Iluminación o Lighting Designer, no está del todo desarrollado, y en casi todos los casos se lo ve como un costo injustificado o un costo extra, cuando en realidad es éste profesional quien vela por los intereses del cliente. Y cuando se lo deja de lado, aprovechando que las empresas proveen el servicio incluido en el precio, uno como cliente puede quedar preso de las pseudoverdades mencionadas anteriormente, o de las verdades parciales, en las cuales no es el interés del cliente quien prima en el trabajo, sino la necesidad de colocar el producto en el mercado. Invertir en un proyecto realizado por un diseñador o una mera consulta, marca una gran diferencia en el proceso final y protege la inversión realizada e incluso ahorra dinero en posteriores modificaciones o reparaciones.

¿Qué es el mantenimiento luminoso?

El famoso “lumen maintenance” (mantenimiento luminoso) es la forma de medir la vida útil o vida media de los leds. En la figura 1, B10 es la expectativa de fallo del diez por ciento de un lote analizado, mientras que B50 es la expectativa de fallo o depreciación de la mitad del lote medido, comúnmente llamada la vida media de la lámpara. Donde allí la medición más común era observar de un lote de 100 lámparas, el tiempo transcurrido hasta que la mitad haya fallado y de allí tomar la vida media.

Resultados no esperados Como es esperable en todas las fuentes luminosas, los leds también pierden luminosidad (flujo) a lo largo de su utilización. Independientemente de cuánto tiempo pase y cómo, siempre perderán parte de su emisión luminosa. El mantenimiento del flujo luminoso inicial es comprender cuánto de ese flujo inicial se mantiene una vez que hayan pasado una cierta cantidad de horas. Donde expresado de la siguiente forma L70 = 100.000 hs nos dice que dicha fuente luminosa, sea este un led, lámpara o una luminaria led al cabo de 100.000 hs de uso habrá perdido el 30% de su flujo luminoso inicial.

Los leds del tipo mid-power con encapsulados plásticos presentan variaciones en su rendimiento, y cromaticidad pasadas las 8.000 horas de uso y pueden no ser adecuados para utilización a largo plazo y donde se requiera alta fiabilidad.

La actualidad en normalización

Existen normativas vigentes que rigen la funcionalidad de los leds, de las lámparas led y de las luminarias led, cada cual posee la suya y estas no deben ser confundidas. A continuación, un repaso sobre cuáles son y qué tipo de información proporcionan.
LM-80 es el estándar de la Sociedad de Ingenieros de Iluminación de Norteamérica (IESNA) para la medición de leds discretos. Los parámetros que mide son la variación del flujo luminoso, el corrimiento de coordenadas cromáticas y el entre otros. Plantea la medición del led a una temperatura de entre 55°C y 85°C y una extra definida por el fabricante y permite una variación de aproximadamente el cinco por ciento. Como resultado, entrega solamente la información medida en cada momento (según TM-21 es cada mil horas). Esta normativa no entrega información sobre la predicción de la vida útil o la duración del led; tampoco tiene un criterio de pasa/no-pasa.

Ejemplo de resultados que entrega TM-21 TM-21 es el estándar de la IESNA para la extrapolación de los datos obtenidos de la medición realizada bajo el estándar LM-80. Utiliza ecuaciones estandarizadas para realizar la extrapolación y entrega los datos en forma de “Lxx ZZZZZ”, en donde ‘X’ es el porcentaje de flujo depreciado y ‘ZZZZZ’ es el tiempo transcurrido durante dicha depreciación. Para medir, utiliza la información de las últimas 5.000 horas, más una predicción matemática para extrapolar la información. Como resultado, entrega un extrapolado reportado (no medido) estimado basado en la información obtenida en la LM-80. Este valor se desprende de predicciones, no hay ensayos involucrados y se estima que es válida solamente hasta seis veces la cantidad de horas testeadas. Luego de ese valor, los resultados son menos fiables. No es un test ideado para comparar luminarias o lámparas, ni provee información para que se utilice comercialmente.

Los leds tipo COB deben ser utilizados con sumo cuidado en aplicaciones de utilización prolongada y con alta temperatura, ya que lo más crítico es evacuar el calor generado por mucha potencia concentrada en una superficie pequeña.

Ejemplo de resultados que entrega INTI TM-21 presenta algunas problemáticas. Por ejemplo, en algunos casos, la proyección esperada puede fallar, llegando a valores calculados de un millón de horas para L70 (114 años) o 312.000 (35 años) para L90 o incluso que el led dura por siempre o que se haga más brillante con el paso del tiempo. Asimismo, puede arrojar resultados extrapolados distintos a lo esperado, como temperaturas de 55°C grados (azul) en la izquierda que duraría por siempre y aumentaría su brillo y casos de 105°C (verde) y que luego la extrapolación arroje que el led ensayado esa temperatura duraría más tiempo que otro de iguales características ensayado a 55°C, cuando es sabido a menor temperatura es mayor la durabilidad del led. Otro problema de TM-21 son las variaciones en la cromaticidad de la emisión: la predicción para este parámetro no es la más adecuada y puede llevar a conclusiones o predicciones erróneas, motivo por el cual se está trabajando actualmente en otro estándar que se encargue de esto.
Por otro lado, existe en Argentina una forma de medición que está abarcando más componentes y no solamente el led ya que se ensaya la luminaria completa, tal como será comercializada y es sometida de diferentes tipos de ensayos.
Los requisitos y métodos de ensayo requeridos por el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) están descriptos en el cuerpo del Anexo 4 de las especificaciones técnicas del PLAE (Plan de Alumbrado Eficiente) del Ministerio de Energía y Minería. Plantea la medición de diferentes parámetros, como decaimiento del flujo luminoso, temperatura de color correlacionada, índice de reproducción cromática y riesgo fotobiológico, entre otros. Esta normativa contempla todos los componentes, cuenta con un criterio pasa/no-pasa, y si la luminaria pasa, entrega un estimado de vida útil de la luminaria, ya no del led como en los métodos anteriormente descriptos.

Leds con encapsulados plásticos y COB

Los materiales que constituyen los leds juegan un papel fundamental en la emisión espectral del led y su correcto mantenimiento en el tiempo. La mayoría de los leds mid-power de encapsulados plásticos que se encuentran en el mercado local hoy en día tienden a tener problemas de viraje en su emisión al cabo de unas cortas 8.000 hr.
En ensayos realizados en leds con bases plásticas, normas como LM-80 y la TM-21 pueden no detectar las variaciones en la cromaticidad de la emisión o fallas criticas debido al corto tiempo de ensayo y que estos no se encuentran colocados en las luminarias en los que luego son utilizados Esto puede llevar a utilizar componentes led no aptos para luminarias cuya intención es la larga vida útil y el libre mantenimiento, pudiendo quedar fuera de servicio o perder sus prestaciones originales.

Por otro lado, para los leds de media potencia (mid-power) se utilizan encapsulados plásticos con plata debido a la alta conductividad térmica, la alta conductividad eléctrica, la baja resistencia y la alta reflectancia óptica. En ambientes de trabajo como el alumbrado público, la presencia de gases que contienen azufre (S) pueden combinarse con la plata porque la silicona utilizada para recubrir o mezclar con el fósforo que está por encima del emisor es permeable a los gases. Esta nueva capa creada de la reacción de la plata con el azufre, no reflectora, puede ocasionar severas pérdidas de flujo luminoso a los led. Una vez ocupada toda la superficie disponible de plata, el proceso no continúa avanzando, pero ya ha dejado una merma importante en el flujo luminoso inicial.
Para los led con bases cerámicas (alta potencia), no es utilizada la plata como superficie reflectora, con lo cual la exposición a gases ricos en azufre no presentaría una depreciación significativa en relación a los chips antes mencionados.

Bibliografía
  1. IESNA, Norma LM-80:2008
  2. IESNA, Norma TM-21:2011
  3. MINEM, PLAE, Especificaciones Técnicas
  4. Diario Oficial de la Federación, NOM-031-ENER2012 (norma oficial mexicana)
  5. IESNA, LM-80-08 “An Overview of the Test Procedure and How it is Used for Enerrgy Star”
  6. Department of Energy, Street Lighting Consortium 2011 Southeast Region Workshop, Tampa
  7. Tuttle, Ralph, Conferencia Cree 2018, Argentina
  8. Swenson, Erig, Webinar Nichia 2018
  9. Philips, “Understanding power LED lifetime analysis”, Technology
  10. White Paper

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