¿Qué pasó con los 100.000?

Dec 23, 2023

Los primeros en adoptar la iluminación LED recordarán las clasificaciones de vida útil de 50.000 horas o incluso 100.000 horas impresas en la caja. Pero durante un viaje reciente a la ferretería, la vida útil más larga anunciada que encontré fue de 25.000 horas. Otros reclamaron sólo 7.500 o 15.000 horas. Y sí, estas son bombillas de marca Cree y GE.

Entonces, ¿qué pasó con esas bombillas LED residenciales de 100.000 horas? ¿Fueron las estimaciones iniciales demasiado optimistas? ¿Fue todo exageración de marketing? ¿O no sabíamos lo suficiente sobre el envejecimiento del LED para predecir la verdadera vida útil de una bombilla?

Puse estas preguntas a prueba. Únase a mí después del receso para conocer algunos antecedentes sobre el cártel de las bombillas desde la época de las bombillas incandescentes (no es una broma, un cártel controlaba la vida útil de sus bombillas) y sobre la destrucción de algunas bombillas LED modernas para ver por qué la vida útil está aumentando. mucho más bajo que la ola original de reemplazos de LED.

Cualquier discusión sobre la vida útil de las bombillas estaría incompleta sin mencionar el cártel Phoebus, una organización internacional formada en 1924 por los principales fabricantes de bombillas del mundo para manipular el mercado de las bombillas. Como lo analiza Markus Krajewski en “La gran conspiración de las bombillas”, el cártel asignó territorios a las empresas miembros, limitó la producción y dictó una vida útil de las bombillas acortada de 1.000 horas. Las bombillas anteriores ardían durante mucho más tiempo, entre 1.500 y 2.500 horas. Supuestamente impuesto para aumentar la calidad, la eficiencia y la producción de luz, el nuevo límite de 1000 horas también resultó en muchas más ventas de bombillas. Los documentos archivados muestran que se realizaron importantes investigaciones para diseñar bombillas que duraran las 1.000 horas previstas y no más. No fue sólo la iluminación del hogar la que se vio afectada: las bombillas de las linternas que originalmente duraban tres juegos de baterías se redujeron a dos, con una propuesta para limitar su vida útil a un solo juego. Una vez más, se mencionó que el aumento de brillo era la razón. Sin embargo, ese último paso, reducir a la mitad la vida útil de la bombilla, aumentaría el brillo sólo entre un 11% y un 16%, al tiempo que duplicaría las ventas. Se trataba de vender más bombillas y ganar más dinero.

El cártel impuso cuotas de producción y vida útil de las bombillas con un sistema de multas monetarias, respaldado por el poder de la cartera de patentes de GE. Se probaron las bombillas de cada fabricante y se impusieron sanciones a las bombillas que duraban significativamente menos o más de 1.000 horas. Phoebus continuó ejerciendo influencia en el mercado hasta que la Segunda Guerra Mundial puso fin a su reinado. El cártel se cita a menudo como uno de los primeros casos de obsolescencia programada: diseñar productos con una vida útil acortada artificialmente. Un documental de 2010, “The Light Bulb Conspiracy”, explora la historia del cartel junto con algunos casos más recientes de obsolescencia programada. Me pregunto qué habrían pensado los conspiradores de las bombillas que supuestamente duran 100.000 horas. ¿O incluso 7.500?

Escondidas en un estante inferior en la isla de iluminación de la ferretería, unas cuantas bombillas incandescentes solitarias esperaban a algún consumidor ludita. Al coger una caja, leo la vida útil nominal: 1.000 horas.

¿Qué significa exactamente la caja con esta vida útil de 1000 horas? Esta es la vida nominal promedio (ARL) de la bombilla: es el tiempo que tarda en fallar el 50 % de una muestra inicial de bombillas (abreviado B50). Lo que significa "fallo" depende del tipo de bombilla; Exploraremos esto con más profundidad más adelante. La definición de B50 revela una interpretación errónea común: que una bombilla durará toda su vida útil nominal. En realidad, sólo la mitad de ellos duran tanto tiempo, aunque esta clasificación no dice nada sobre la distribución de fallas a lo largo de la vida media.

Los fabricantes utilizan estos valores ARL para pronosticar cuántos años durará una bombilla basándose en su uso una cantidad específica de horas por día (normalmente 3). Las bombillas LED sufren menos desgaste por ciclos de energía que las incandescentes, por lo que la conversión es solo una división: años de servicio = ARL/(3*365). Por ejemplo, según este cálculo, la mitad de un juego de bombillas de 100.000 horas seguiría en servicio después de 91 años. Pero esta simple métrica no cuenta toda la historia. Los mecanismos de fallo de las bombillas LED son complejos y fundamentalmente diferentes de los de las conocidas incandescentes. Para entender más, necesitamos arrojar algo de luz sobre el funcionamiento interno de una bombilla.

Antes de salir de la tienda, tiré algunas bombillas en mi carrito para poder ver de primera mano lo que había dentro.

Una bombilla LED es mucho más que solo LED. Los enchufes de nuestros hogares son en realidad fuentes de energía CA bastante sucias. Los LED necesitan fuentes de CC limpias y de corriente constante, por lo que los circuitos dentro de las bombillas deben rectificar y filtrar la CA entrante y luego limitar la corriente a los paquetes de LED. Para ver cómo se hace esto, analicé tres bombillas de estilo A19 diferentes: una de las líneas “Básica” y “Clásica” de GE (7500 y 15 000 horas), y un modelo Cree que ofrece una vida útil de 25 000 horas.

Esta bombilla GE tiene una cúpula de plástico que cubre una PCB circular de aluminio que contiene ocho paquetes de LED y la electrónica del controlador. El controlador consta de un puente rectificador MB10F, un condensador electrolítico clasificado para 105 °C y un controlador lineal de corriente constante SM2082D. Hay tres resistencias en la PCB: una purga la carga del condensador cuando la bombilla está apagada y otras dos ajustan la corriente del SM2082D a 54 mA. De hecho, el circuito parece sacado directamente de la hoja de datos del SM2082D.

Siete de los paquetes de LED de 3,5 x 2,8 mm muestran alrededor de 18 V de caída directa cuando se activan con 50 mA, lo que indica que contienen seis dados de LED en serie. Un LED en la placa muestra una caída de 9 V, por lo que solo tiene tres chips LED. Todos los LED, que suman un total de 45 dados, están conectados en serie para reducir aproximadamente 135 V.

Cuando dicen clásico, lo dicen en serio. Esta bombilla está en una envoltura de vidrio como las incandescentes y, al igual que esas bombillas viejas, el vidrio se quita fácilmente con un martillo de bola. En lugar del filamento de tungsteno hay una PCB de aluminio doblada en forma de obelisco achaparrado. Dieciséis paquetes de LED de 3,5 x 2,8 mm están conectados en serie en la placa, y cada uno muestra un voltaje directo de alrededor de 9 V a 50 mA. Entonces, esta versión tiene 48 chips LED versus 45 para la bombilla básica, excepto que están en el doble de paquetes; esto es bueno para mantener los LED fríos.

Otra diferencia con esta bombilla de mayor duración es que la electrónica del controlador no está acoplada térmicamente a los LED; están ocultos en una PCB separada en la base roscada. Esto evita que el resto de componentes se calienten con los LED. En la PCB del controlador hay un puente rectificador, un condensador electrolítico nuevamente clasificado para 105°C y un IC SOIC-8. Curiosamente, esta bombilla también contiene un varistor de óxido metálico para la supresión de transitorios. Aunque no pude determinar cuál era el controlador IC con la marca propia ("BYSACT"), la falta de componentes inductivos en la PCB indica que se trata de otro suministro lineal.

La bombilla Cree tiene una cúpula de plástico difusa como el modelo GE Basic. En el interior, una PCB de aluminio más grande contiene (16) paquetes de LED de 3,5 x 2,8 mm. Cada LED cae alrededor de 8,5 V a 50 mA, por lo que contienen 3 chips; Al igual que la bombilla GE Classic, esta utiliza 48 dados LED en total. Los LED están conectados como ocho secciones de dos LED en paralelo, por lo que la caída total es de alrededor de 68 V. La PCB de LED está acoplada a un disipador de calor de aluminio grueso con compuesto térmico de silicona.

Al igual que con la bombilla GE Classic, la electrónica de alimentación se encuentra en una PCB separada, térmicamente desacoplada de los LED. El controlador IC es un paquete SOT23-5 inescrutablemente marcado con “SaAOC”, pero la presencia de un transformador y un robusto diodo Schottky revela que se trata de una fuente de alimentación de modo conmutado. El condensador de filtro en la salida del conmutador es un electrolítico de aluminio con capacidad para 130 °C.

No hay mucho que decir, pero ¿qué conclusiones podemos sacar del diseño de estas tres bombillas? Es útil considerar cómo fracasan típicamente y qué factores afectan su vida.

Dado que las bombillas LED contienen varias piezas, es natural preguntarse cuáles podrían ser responsables de las averías. El programa de iluminación de estado sólido del Departamento de Energía de EE. UU. (DoE) apoya la investigación y el desarrollo de tecnologías LED, y su sitio web contiene grandes volúmenes de datos sobre sistemas de iluminación LED. Su hoja informativa sobre vida útil y confiabilidad contiene datos sobre la tasa de fallas de 5400 lámparas exteriores durante 34 millones de horas de funcionamiento. Curiosamente, los propios LED representan sólo el 10% de los fallos; Los circuitos del conductor, por otro lado, fueron responsables casi el 60% del tiempo. El resto de las fallas se debieron a problemas de alojamiento, que pueden no ser aplicables a las bombillas de uso interior. Estos datos muestran que, al menos en caso de fallos catastróficos (donde la lámpara deja de emitir luz), ampliar la vida útil significa mejorar el suministro de energía.

La vida útil de una bombilla (o fuente de alimentación) no puede ser mayor que la vida útil de cualquiera de sus componentes. Entre los componentes que se encuentran en el interior de las bombillas, dos destacan como limitadores de vida: los semiconductores y los condensadores electrolíticos. Ambos componentes sufren de una tasa de falla que es una fuerte función de la temperatura. El modelo típico para este efecto, basado en la ecuación de Arrhenius, predice una duplicación de la vida útil por cada disminución de 10 grados Celsius en la temperatura, al menos en un rango limitado.

Las dos bombillas de mayor duración utilizan el doble de paquetes para transportar aproximadamente la misma cantidad de dados LED que la lámpara GE Basic, lo que disminuye la resistencia térmica de sus respectivos disipadores de calor y presumiblemente reduce su temperatura. Estas bombillas también montan la electrónica del controlador propensa a fallas en PCB separadas de los LED para mantenerlas frías. Finalmente, la bombilla Cree de 25.000 horas utiliza un condensador electrolítico con capacidad para 130 °C, a diferencia de los límites de 105 °C de las otras dos. Para temperaturas de funcionamiento similares, esto podría multiplicar la vida útil esperada del condensador por un factor de cinco. Cada una de estas medidas probablemente contribuye a retrasar la falla catastrófica de la bombilla, lo que resulta en una vida útil más larga.

Pero cuando se trata de los LED en sí, las estimaciones de vida útil implican más que predecir fallas catastróficas.

Al igual que los soldados de la famosa línea de Douglas MacArthur, los viejos LED no mueren, simplemente se desvanecen. Todos sabemos cómo se ve una falla en una lámpara incandescente: en un segundo brilla intensamente; al siguiente, no lo es (y de vez en cuando, se escucha un estallido seguido de un leve tintineo cuando el filamento liberado se mueve dentro de la bombilla). Dejando a un lado las fuentes de alimentación, los LED normalmente no fallan con tanta fanfarria. En cambio, pierden brillo gradualmente a medida que envejecen. En la industria de la iluminación, esto se conoce como depreciación lumínica y es un modo de fallo independiente del fallo catastrófico en el que solemos pensar.

Resulta que la depreciación de los lúmenes también ocurre en las bombillas incandescentes. Al final de su vida útil de 1000 horas, la producción suele caer entre un 10 y un 15 %, pero nadie se da cuenta. Con los LED, el efecto es mucho peor y la salida continúa disminuyendo a medida que el dispositivo envejece. En algún momento, el LED ya no produce suficiente luz para cumplir su propósito original, aunque no se haya "quemado". Las investigaciones dicen que la mayoría de los usuarios no notarán una caída gradual del 30% en los niveles de luz; en consecuencia, la industria ha definido L70, el momento en el que la producción ha caído al 70% de su nivel inicial, como un punto final para medir la vida útil de las bombillas LED. Según cómo se estima, esta medida generalmente se indica como B50-L70, el punto en el que el 50 % de una muestra inicial de bombillas conservará el 70 % de su potencia nominal.

Algo más sucede a medida que los LED blancos basados ​​en fósforo envejecen: cambian de color. El informe del Departamento de Energía de EE. UU. sobre confiabilidad de las luminarias LED: impacto del cambio de color define cuatro cambios de color (azul, amarillo, rojo y verde) observados en las lámparas LED, aunque el cambio al amarillo domina en los LED blancos de alta potencia. Este amarillamiento gradual de la salida de luz se debe al agrietamiento del fósforo, la delaminación y los efectos térmicos, ya que la temperatura del fósforo puede exceder la de la unión del LED entre 30 C y 50 °C. Modelar y predecir el cambio de color en los LED es una tarea difícil, y aún no se comprenden completamente todos los mecanismos. Como resultado, aún no se han establecido estándares para pruebas aceleradas o proyecciones de estabilidad del color a lo largo del tiempo.

Con el tiempo, estos efectos pueden ser tan perjudiciales para el funcionamiento de la bombilla como una falla catastrófica. Dado que la depreciación del lúmenes y el cambio de color con el tiempo harán que los LED sean ineficaces, puede que no tenga sentido que los fabricantes diseñen bombillas con vidas eléctricas muy largas. Es posible que los índices de vida útil reducidos que vemos en las bombillas actuales simplemente reflejen un mejor conocimiento sobre el rendimiento real de la tecnología LED existente a lo largo del tiempo.

He visto de primera mano la depreciación del lumen y el cambio de color. En junio de 2010, reemplacé doce bombillas incandescentes PAR30 de 65 W en nuestra cocina por equivalentes LED. Al mismo tiempo, también reemplacé tres luces en otra habitación con bombillas LED idénticas. Estas tres bombillas se usan mucho menos, por lo que, al prepararme para este artículo, tomé una bombilla de cada ubicación y las coloqué una al lado de la otra para ver si podía notar la diferencia en la potencia. Las lámparas empotradas en ambas habitaciones son idénticas, por lo que espero que las bombillas estén expuestas a temperaturas similares cuando estén encendidas: cualquier diferencia debería deberse únicamente a los efectos del envejecimiento. Los resultados fueron impactantes. Como estas dos bombillas estaban en habitaciones diferentes, nunca las vi una al lado de la otra, por lo que no me di cuenta de cuán grave había sido la depreciación del lumen y el cambio de color. Claro, sabía que eran más tenues y amarillos que cuando los instalé, pero no tenía idea de que fuera tan malo.

Estas bombillas se anunciaron con una vida útil de 30.000 horas. Calculo el uso total en 15.000-20.000 horas. Durante los 8 años y medio que estuvieron en servicio, uno falló por completo. En lugar de reemplazarla con una bombilla más nueva que no coincidiría con el color de las más antiguas (o reemplazarlas todas), dejé ese casquillo vacío.

En la ferretería, noté nuevas bombillas LED BR30 de 9 vatios por $5 cada una. Los PAR30 que compré en 2010 costaban 45 dólares y consumían 11 vatios. Un cálculo rápido dice que las bombillas viejas se amortizaron más de tres veces en ahorros de electricidad en comparación con las incandescentes que reemplazaron, y emitieron mucho menos carbono a la atmósfera. Es posible que sigan funcionando durante otras 15.000 horas, pero después de sopesar la producción degradada y el costo de reemplazarlos con versiones más brillantes y eficientes, me dirijo de regreso a la tienda.

He echado un vistazo a algunos de los problemas técnicos de la iluminación LED. Por supuesto, las bombillas LED son más que la vida útil: la temperatura del color y el índice de reproducción cromática (CRI) deben tener en cuenta cualquier decisión de compra. También hay una serie de problemas mayores involucrados, incluidas cuestiones de economía y sostenibilidad. Algunos de estos se abordan en el artículo de JB MacKinnon de 2016, The LED Quandary: Why There's No Such Thing as “Built to Last”, en The New Yorker.

Ciertamente, tiene sentido pasar de las bombillas incandescentes a una iluminación más eficiente, pero tal vez nunca necesitábamos bombillas de 100.000 horas en primer lugar. La vida útil de incluso las bombillas de 7.500 horas es larga en comparación con el rápido avance de la tecnología de iluminación. ¿Tiene sentido comprar bombillas caras y de larga duración hoy, cuando es posible que en un futuro próximo haya otras mejores, más baratas y más eficientes?

La luz incandescente más antigua que se conserva, conocida como bombilla centenaria (haga clic para ver una cámara web de la lámpara), es una bombilla tenue de filamento de carbono que ha estado encendida casi continuamente desde 1901: más de 1 millón de horas. En su estado actual, emite tanta luz como una bombilla incandescente moderna de 4 vatios. ¿Habría tenido sentido pagar una prima por esas “bombillas de un millón de horas” a principios del siglo XX si tuviéramos algún indicio de los avances que se producirían en los próximos 117 años?

Las nuevas bombillas LED BR30 de 5 dólares que acabo de instalar en la cocina son sorprendentemente brillantes y nítidas: las pruebas con un luxómetro muestran que la iluminancia es más de un 60% mayor. Además, se amortizarán con creces con el ahorro de electricidad en comparación con las bombillas LED antiguas e ineficientes que reemplazaron.