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Sábado, 24 de octubre de 2020

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La revolución de las bombillas Led

Hace ciento treinta años, Thomas Edison completó la primera prueba sostenida exitosa de la bombilla incandescente. Con algunas mejoras incrementales en el camino, la tecnología básica de Edison ha iluminado el mundo desde entonces. Esto está a punto de cambiar.

Estamos en la cúspide de una revolución de la iluminación basada en semiconductores que finalmente reemplazará las bombillas de Edison con una solución de iluminación mucho más eficiente desde el punto de vista energético.

La iluminación LED de estado sólido eventualmente reemplazará a casi todos los cientos de miles de millones de luces incandescentes y fluorescentes que se usan actualmente en todo el mundo. De hecho, como un paso en este camino, el presidente Obama presentó en junio pasado nuevos estándares de iluminación más estrictos que apoyarán la eliminación gradual de las bombillas incandescentes (que ya están prohibidas en algunas partes de Europa).

La revolución de las bombillas led

Para comprender cuán revolucionarias son las bombillas LED y por qué siguen siendo caras, es instructivo observar cómo se fabrican y comparar esto con la fabricación de bombillas incandescentes. Este artículo explora cómo se fabrican las bombillas incandescentes y luego contrasta ese proceso con una descripción del proceso de fabricación típico de las bombillas LED.

Entonces, comencemos por observar cómo se fabrican las bombillas incandescentes tradicionales. Encontrará que este es un ejemplo clásico de un proceso industrial automatizado refinado en más de un siglo de experiencia.

Si bien los tipos de bombillas incandescentes individuales difieren en tamaño y potencia, todos tienen las tres partes básicas: el filamento, la bombilla y la base. El filamento está hecho de tungsteno.

Si bien son muy frágiles, los filamentos de tungsteno pueden soportar temperaturas de 2.500 grados. Los cables de conexión o de entrada generalmente están hechos de alambre de níquel-hierro.

Este cable se sumerge en una solución de bórax para hacer que el cable sea más adherente al vidrio. El bulbo está hecho de vidrio y contiene una mezcla de gases, generalmente argón y nitrógeno, que aumentan la vida útil del filamento. Se bombea aire del bulbo y se reemplaza con los gases. Una base estandarizada mantiene todo el conjunto en su lugar. La base se conoce como la "base de tornillo Edison". El aluminio se usa en el exterior y el vidrio se usa para aislar el interior de la base.

Automatización de la producción de las bombillas

Originalmente producida a mano, la fabricación de bombillas ahora está casi completamente automatizada. Primero, el filamento se fabrica utilizando un proceso conocido como dibujo, en el que el tungsteno se mezcla con un material aglutinante y se tira a través de una matriz (un orificio conformado) en un alambre fino. Luego, el alambre se enrolla alrededor de una barra de metal llamada mandril para moldearlo en su forma enrollada adecuada, y luego se calienta en un proceso conocido como recocido, suavizando el alambre y haciendo que su estructura sea más uniforme. El mandril se disuelve en ácido.

En segundo lugar, el filamento enrollado se une a los cables de entrada. Los cables de entrada tienen ganchos en sus extremos que se presionan sobre el extremo del filamento o, en bulbos más grandes, se sueldan por puntos.

En tercer lugar, las bombillas o cubiertas de vidrio se producen utilizando una máquina de cinta. Después de calentar en un horno, una cinta continua de vidrio se mueve a lo largo de una cinta transportadora.

Las boquillas de aire alineadas con precisión soplan el vidrio a través de agujeros en la cinta transportadora en moldes, creando las carcasas. Una máquina de cinta que se mueve a la velocidad máxima puede producir más de 50,000 bombillas por hora.

Después de soplar las tripas, se enfrían y luego se cortan de la máquina de cintas. A continuación, el interior del bulbo se recubre con sílice para eliminar el resplandor causado por un filamento brillante y descubierto. La etiqueta y la potencia se estampan en la parte superior externa de cada carcasa.

Cuarto, la base de la bombilla también se construye con moldes. Está hecho con hendiduras en forma de tornillo para que pueda caber fácilmente en el zócalo de una lámpara.

Quinto, una vez que se fabrican el filamento, la base y la bombilla, las máquinas los unen. Primero, el filamento se monta en el conjunto del vástago, con sus extremos sujetos a los dos cables de entrada. Luego, el aire dentro del bulbo se evacua, y la carcasa se llena con la mezcla de argón y nitrógeno.

Finalmente, la base y el bulbo están sellados. La base se desliza sobre el extremo del bulbo de vidrio de manera que no se necesita ningún otro material para mantenerlos juntos. En cambio, sus formas conformes permiten que las dos piezas se mantengan juntas, con los cables de entrada tocando la base de aluminio para garantizar un contacto eléctrico adecuado. Después de la prueba, las bombillas se colocan en sus paquetes y se envían a los consumidores.

Las bombillas se prueban tanto para la vida como para la resistencia de la lámpara. Para proporcionar resultados rápidos, las bombillas seleccionadas se atornillan en bastidores de prueba de vida y se encienden a niveles muy superiores a lo normal. Esto proporciona una medida precisa de cuánto tiempo durará la bombilla en condiciones normales. Las pruebas se realizan en todas las plantas de fabricación, así como en algunas instalaciones de prueba independientes. La vida promedio de la bombilla doméstica típica es de 750 a 1,000 horas, dependiendo de la potencia.

Proceso de fabricación de las bombillas led

Las bombillas LED están construidas alrededor de dispositivos semiconductores de estado sólido, por lo que el proceso de fabricación se asemeja más a lo que solía hacer productos electrónicos como las placas madre de PC.

Un diodo emisor de luz (LED) es un circuito eléctrico de estado sólido que genera luz por el movimiento de electrones en un material semiconductor.

La tecnología LED ha existido desde fines de la década de 1960, pero durante los primeros 40 años, los LED se utilizaron principalmente en dispositivos electrónicos para reemplazar las bombillas en miniatura, tal y como conocemos hoy en día, las bombillas led se pueden encontrar en infinidad de tiendas tanto físicas o tiendas online como bombillasledweb entre otros, hace años no era fácil encontrar este tipo de bombillas con la facilidad que tenemos hoy en día.

En la última década, los avances en la tecnología finalmente aumentaron la salida de luz lo suficientemente alta como para que los LED comiencen a competir seriamente con las bombillas incandescentes y fluorescentes, Al igual que con muchas tecnologías, a medida que disminuye el costo de producción, cada generación sucesiva de LED también mejora la calidad de la luz, la salida por vatio y la gestión del calor.

La industria informática es muy adecuada para fabricar iluminación LED. El proceso no es muy diferente a hacer una placa base de computadora. Las compañías que fabrican los LED en sí mismas generalmente no están en el negocio de la iluminación, o es una parte menor de su negocio. Tienden a ser casas de semiconductores que están felices de producir su producto, por lo que los precios de los LED de alto rendimiento han caído tanto en los últimos 15 años.

Las bombillas LED en sí son caras en parte porque se necesitan varios LED para obtener iluminación de área amplia en lugar de un haz estrecho, y el costo de montaje se suma al precio general. Además, los conjuntos que consisten en conjuntos de LED crean más oportunidades para defectos del producto.

Una luz LED consta de cuatro componentes esenciales: una placa de circuito LED, un disipador térmico, una fuente de alimentación y una carcasa.

Las luces comienzan como placas de circuito impreso (PCB) desnudas y elementos LED de alta luminancia llegan de fábricas separadas que se especializan en fabricar esos componentes. Los elementos LED en sí crean un poco de calor, por lo que la PCB utilizada en los accesorios de iluminación es especial. En lugar del sándwich no conductor estándar de epoxi y fibra de vidrio, la placa de circuito se coloca sobre una delgada lámina de aluminio que actúa como un disipador térmico.

El PCB de aluminio utilizado en la iluminación LED está recubierto con un material no conductor y líneas de traza de cobre conductor para formar la placa de circuito, este material también se utiliza en la fabricación de bombillas inteligentes, ¿Qué son las bombillas inteligentes? Aquí encontraras mas información.

Luego, la pasta de soldadura se aplica en los lugares correctos y luego las máquinas con tecnología de montaje en superficie (SMT) colocan los pequeños elementos LED, los circuitos integrados del controlador y otros componentes en la placa a velocidades ultra altas.
La forma redonda de una bombilla tradicional significa que la mayoría de las placas de circuito impreso LED son circulares, por lo que, para facilitar el manejo, varias de las PCB circulares más pequeñas se combinan en una PCB rectangular más grande que la maquinaria SMT automatizada puede manejar.

Piense en ello como una bandeja de magdalenas que se mueve de una máquina a otra a lo largo de una cinta transportadora, luego, al final, las magdalenas individuales se liberan de la bandeja.

Echemos un vistazo a los pasos de fabricación de una bombilla LED típica destinada a reemplazar una bombilla incandescente estándar con un tornillo Edison.

Verá que es un proceso muy diferente de los procesos altamente automatizados utilizados para fabricar nuestras bombillas incandescentes familiares. Y, a pesar de lo que pueda imaginar, las personas siguen siendo una parte muy necesaria del proceso de fabricación, y no solo para las pruebas y el Control de calidad.

Una vez que las hojas más grandes de las placas de circuito LED han pasado a través de un horno de reflujo de soldadura (un horno de aire caliente que derrite la pasta de soldadura), se dividen en placas de circuito pequeñas individuales y se sueldan manualmente los cables de alimentación.

La pequeña fuente de alimentación alojada en el cuerpo de la bombilla pasa por un proceso similar, o puede ser entregada completa desde otra fábrica.

En cualquier caso, los pasos de fabricación son los mismos; primero el PCB pasa a través de las líneas SMT, luego pasa a una línea de ensamblaje manual de paquete dual en línea (DIP) donde una larga fila de trabajadores de la fábrica agrega un componente a la vez.
DIP se refiere a las dos filas paralelas de clientes potenciales que se proyectan desde los lados del paquete. Los componentes DIP incluyen todos los chips y tomas de chips integrados.

Si bien las luces LED se queman varias veces más que las incandescentes o las CFL y requieren menos de la mitad de la energía, necesitan algún tipo de disipador térmico pasivo para evitar el sobrecalentamiento de los LED de alta potencia.

La placa de circuito LED, que está hecha de aluminio de 1,6-2 mm de grosor, conducirá el calor de la docena de elementos LED al marco de metal del disipador térmico y, por lo tanto, mantendrá las temperaturas bajo control. Los PCB con respaldo de aluminio a veces se denominan "placas de circuito impreso con núcleo de metal", y aunque están hechos de un material conductor, el revestimiento blanco es aislante de la electricidad. El PCB de aluminio se atornilla en su lugar dentro del disipador térmico que forma la mitad inferior de la bombilla LED.

Después de esto, la placa del conector de alimentación se fija en su lugar con adhesivo. La pequeña fuente de alimentación convierte la alimentación de CA de 120 / 240V a un voltaje más bajo (12V o 24V), cabe en la cavidad detrás de la PCB de aluminio.

El ensamblaje de la carcasa consiste en bloquear la carcasa en su lugar con tornillos. Una carcasa de plástico cubre la fuente de alimentación y se conecta con el disipador térmico de metal y la placa de circuito LED. Se incluyen orificios de ventilación para permitir que escape el aire caliente. El conjunto de cableado para el enchufe del enchufe requiere cables de soldadura al enchufe del bulbo. Entonces la cáscara se adjunta.

A continuación, la luz LED completa se envía a pruebas de quemado y control de calidad. La prueba de quemado generalmente dura 30 minutos. La bombilla LED completa se enciende para ver si funciona correctamente y se quema durante 30 minutos. También hay una prueba de fugas y fallas de alto voltaje y una prueba de consumo de energía y factor de potencia. Las muestras de la producción se prueban para detectar fugas de alto voltaje, consumo de energía y factor de potencia (eficiencia).


Las bombillas terminadas pasan a través de un paso final de engarzado a medida que la base del casquillo metálico está engarzada en su lugar, están codificadas con barras e identificadas con números de lote. Se aplican etiquetas de seguridad externas y la bombilla se entinta con información, como la marca y el número de modelo. Finalmente, todo lo que queda es fijar la cubierta LED de plástico transparente que está pegada en su lugar.

Después de una verificación final para asegurarse de que todas las diferentes partes de la luz LED estén apretadas, se empaqueta en cajas individuales y se envían las bombillas.

Entonces, si se ha preguntado por qué las bombillas LED son tan caras hoy en día, esta explicación de cómo se fabrican y cómo se compara con la fabricación de bombillas tradicionales debería ayudar.

Sin embargo, también revela por qué el costo caerá dramáticamente en los próximos años. Así como el costo de fabricación de otros productos basados en semiconductores ha caído dramáticamente debido a la estandarización, la automatización y otros pasos clave a lo largo de la curva de aprendizaje de fabricación, las mismas fuerzas inexorables reducirán los costos de la producción de bombillas LED.

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Género al que pertenece la obra: Periodismo literario
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Escritores complutenses 2.0. es un proyecto del Vicerrectorado de Innovación de la Universidad Complutense de Madrid
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