¿Por qué una bombilla LED ilumina? Y... ¿Por qué no quema?

En el anterior artículo sobre iluminación estuvimos analizando las luces que queman, lo que he llamado iluminación térmica. Ahora le toca el turno a las luces frías. Si bien hay muchas clases de iluminación, me voy a centrar en las más fáciles de encontrar en las tiendas: fluorescentes y LED.

 

Tubos fluorescentes y bombillas de bajo consumo

Las bombillas de bajo consumo en realidad son tubos fluorescentes compactos, con su balastro incluido en el mismo casquillo, de modo que todo lo que digo es aplicable a ambas. Para entender cómo funcionan, hay que recordar qué son los orbitales atómicos:

El átomo se compone del núcleo, donde están los protones y los neutrones, y de la corteza, donde están los electrones. Los electrones no orbitan el núcleo como si fueran planetas orbitando una estrella. En su lugar, lo que hacen es ocupar con cierta probabilidad unas posiciones fijas de la corteza llamadas orbitales. Hay muchísimos orbitales para elegir, pero los electrones, que se sienten muy atraídos por los protones del núcleo, tratan de ocupar los orbitales que estén más cerca del núcleo. Digo tratan porque en cada orbital sólo caben dos electrones (cosas de Fermi y el spin), así que los dos primeros ocupan el primer orbital (el más cercano al núcleo), los dos siguientes ocupan el segundo, etc. En circunstancias normales los primeros orbitales se llenan y los demás quedan vacíos.  Pero en circunstancias normales las bombillas no iluminan...

Cuando encendemos una lámpara fluorescente, el balastro genera una tensión muy alta, la sustancia que contiene el tubo fluorescente gasifica y permite que circule la corriente a través del gas. Gracias a la elevada tensión, los electrones que llegan por la corriente vienen con mucha energía, suficiente para lograr que ocupen orbitales más altos, dejando orbitales vacíos por debajo. Cuando el átomo se encuentra en este estado decimos que está excitado. Así que cuando pasa la corriente por el tubo, los átomos del gas se excitan.

Sin embargo, los átomos no duran excitados mucho tiempo, ya que es una situación inestable. En cuestión de picosegundos los electrones excitados tratan de situarse en orbitales más bajos, pero para ello necesitan perder energía. Así que lo que hacen es emitir un fotón con la energía exacta que necesitan para bajar de orbital. Si el electrón tiene varios orbitales libres por debajo, puede relajarse yendo directamente al más bajo, o haciendo escalas, emitiendo varios fotones de menor energía. Por lo que, en lugar de emitir un único tipo de fotón, emitirá de varios tipos, aunque de longitudes de onda muy precisas. El espectro de una luz fluorescente muestra los tipos de fotones que emiten los átomos que hay en el tubo. Como puede verse, no es una luz continua, como pasaba con la térmica, sino que se emiten fotones muy concretos.

Para lograr un buen rendimiento lumínico, se buscan elementos que emitan fotones principalmente en las longitudes de onda visible, porque los fotones no visibles consumen energía que sólo sirve para calentar. Para lograr una luz más agradable se combinan varios elementos, y se pone un recubrimiento al vidrio para que absorba las radiaciones ultravioletas. Aún así, todavía una pequeña parte de los fotones emitidos resulta no visible.

 

Iluminación LED

Los LED son un tipo de diodos que cuando pasa la corriente emiten luz visible. Un diodo está compuesto por materiales semiconductores. La principal característica de un diodo es que sólo deja pasar la corriente en un sentido. Está formado por dos semiconductores, uno dopado en positivo, con huecos para electrones, y otro en negativo, con exceso de electrones. Cuando la tensión es suficiente, los electrones del negativo pueden saltar hacia el positivo, aumentando luego la intensidad en función de la tensión, hasta que la tensión sea excesiva. En el salto que dan los electrones de un semiconductor al otro se pierde una pequeña cantidad de energía en forma de luz, con fotones que tienen un intervalo de longitudes de onda pequeño, prácticamente de un solo color.

Modificando el dopaje, que es la cantidad de impurezas, y el material, se puede lograr que la luz emitida tenga una longitud de onda muy concreta. En la siguiente gráfica se muestra el espectro para LED de colores RGB.

Combinando los tres se puede lograr una luz blanca. Pero actualmente los LED blancos se hacen con un LED que emite azul, recubierto de una sustancia amarillenta que logra el siguiente efecto:

Esta luz es más parecida a la solar, con exceso de azul, pero más agradable que la que sale de combinar las otras, y supongo que más barata de fabricar.

 

Luces que no queman

La luz que emite el LED sí calienta, pero como todos los fotones que emite son visibles, da la misma cantidad de lúmenes con ocho veces menos potencia que una bombilla convencional de wolframio.

Para ser correctos, una bombilla LED de 100W calentará 100W, y es posible que queme. Pero donde se usaba una bombilla de 40W ahora se usa una de 5W, y eso calienta muy poco. Así que la razón de que las LED normalmente no quemen es porque, al ser muy eficientes, necesitan menos potencia. Para ser justos, las fluorescentes tampoco queman mucho, aunque tienen menor resistencia a los ciclos de encendido y apagado. Por si no se entiende con espectros, lo explico con monigotes:

Para terminar, dejo una comparativa de varios tipos de luces, donde se puede comprobar el espectro de la luz emitida, y podemos imaginar la eficiencia de cada una. Aquí faltan las LED, que ya hemos mostrado en una gráfica anterior.