LED infrarrojos: una guía completa
En el panorama de la iluminación en estado sólido, los LED infrarrojos (IR LED) representan una tecnología fascinante y fundamental que opera más allá del espectro visible humano. A diferencia de los LED convencionales para iluminación, que emiten luz visible, los LED infrarrojos generan radiación electromagnética en la región del infrarrojo, abriendo un amplio abanico de aplicaciones que abarcan desde sistemas de seguridad y vigilancia hasta comunicaciones ópticas, mandos a distancia y análisis médico. Esta guía exhaustiva explora en profundidad los principios físicos, las características distintivas, los modos de funcionamiento y los contextos de aplicación de estos componentes optoelectrónicos esenciales, ofreciendo una visión técnica detallada y profesional para todos aquellos que operen en el ámbito de la iluminación, la automatización o la electrónica.
Antes de profundizar en los aspectos técnicos, es fundamental definir con precisión qué son los LED infrarrojos y ubicarlos dentro del contexto más amplio del espectro electromagnético. A diferencia de los LED visibles, cuyo diseño busca maximizar la eficiencia luminosa percibida por el ojo humano, los LED IR están optimizados para la emisión de radiación en la banda espectral comprendida entre aproximadamente 700 nanómetros (nm) y 1 milímetro (mm), subdividiéndose a su vez en infrarrojo cercano (NIR), medio (MIR) y lejano (FIR). Su diseño, los materiales semiconductores utilizados (como el arseniuro de galio – GaAs) y sus características operativas responden a lógicas específicas, vinculadas a la interacción de la radiación IR con los materiales, a la sensibilidad de los detectores y a las necesidades de las diversas aplicaciones.
¿Qué son los LED infrarrojos? Definición y características fundamentales
Un LED infrarrojo (IR LED) es un diodo emisor de luz que, cuando se polariza en directo, emite fotones con longitudes de onda dentro del intervalo del infrarrojo. La radiación infrarroja, descubierta por William Herschel en 1800, es una forma de energía radiante invisible al ojo humano, aunque percibida como calor. Los LED infrarrojos representan la versión en estado sólido y de alta eficiencia de las fuentes tradicionales de luz infrarroja, como las lámparas incandescentes con filtros, ofreciendo ventajas decisivas en términos de vida útil, compacidad, velocidad de conmutación y consumo energético.
El principio que sustenta la emisión infrarroja
El funcionamiento de un LED infrarrojo se basa en el mismo principio físico que los LED visibles: el fenómeno de la electroluminiscencia en un semiconductor con unión p-n. Al aplicar una tensión directa a la unión, los electrones de la región n se recombinan con los huecos de la región p, liberando energía en forma de fotones. La energía (y, por tanto, la longitud de onda) del fotón emitido está determinada por el bandgap del material semiconductor.
Para producir radiación infrarroja, se utilizan materiales con un bandgap más estrecho que los empleados para la luz visible. El arseniuro de galio (GaAs), por ejemplo, con un bandgap de aproximadamente 1,43 eV, emite luz en el infrarrojo cercano (NIR) en torno a 870 nm. Variando la composición del semiconductor (por ejemplo, utilizando GaAlAs o InGaAs), es posible sintonizar con precisión la longitud de onda de emisión, cubriendo distintas sub-bandas del espectro IR según las necesidades de la aplicación.
Materiales semiconductores para LED infrarrojos: breve panorámica
La elección del material semiconductor es el factor principal que determina las características de los LED infrarrojos. Además del ya mencionado GaAs, utilizado para emisiones entre 750 y 950 nm, el fosfuro de galio (GaP) dopado con zinc-oxígeno permite fabricar LED con un pico de emisión a 700 nm, en el límite entre el rojo visible y el IR.
Para aplicaciones que requieren longitudes de onda mayores, en el infrarrojo medio, se emplea el arseniuro de indio y galio (InGaAs). Para aplicaciones en el infrarrojo lejano, donde la emisión es esencialmente radiación térmica, a menudo se recurre a LED de cascada cuántica (QCL), basados en heteroestructuras complejas, aunque esta tecnología se distingue de los LED tradicionales. La siguiente tabla resume los materiales más comunes y su rango típico de emisión:
| Material semiconductor | Composición típica | Longitud de onda de pico (nm) | Principales campos de aplicación |
|---|---|---|---|
| Arseniuro de Galio (GaAs) | GaAs no dopado o ligeramente dopado | 850 - 950 | Seguridad, mandos a distancia, sensores de proximidad |
| Arseniuro de Galio y Aluminio (GaAlAs) | Ga1-xAlxAs | 700 - 900 | Comunicaciones por fibra óptica, dispositivos médicos |
| Fosfuro de Galio (GaP) | GaP:Zn-O | 700 | Sensores, dispositivos de aislamiento óptico |
| Arseniuro de Galio e Indio (InGaAs) | InxGa1-xAs | 900 - 1700 | Telecomunicaciones, espectroscopía NIR |
El diseño de un LED infrarrojo no se limita a la elección del material activo. La geometría del chip, el diseño de los electrodos para lograr una distribución uniforme de la corriente, la presencia de capas reflectantes para maximizar la extracción de la luz y el tipo de encapsulado (epoxi, silicona, cerámico) son todos elementos críticos que influyen en la eficiencia cuántica externa, el ángulo de emisión, la estabilidad térmica y la fiabilidad del componente a lo largo del tiempo. Los encapsulados para LED infrarrojos suelen ser de color negro o azul oscuro para reducir la reflexión de la luz ambiental visible y pueden estar equipados con lentes para focalizar el haz.
¿Cómo funcionan los LED infrarrojos? De la teoría al circuito
El funcionamiento de los LED infrarrojos dentro de un circuito electrónico requiere comprender sus parámetros eléctricos y ópticos, así como las modalidades de control. A diferencia de una bombilla convencional, un LED es un dispositivo controlado por corriente, cuyo flujo radiante es prácticamente proporcional a la corriente directa que lo atraviesa. Por lo tanto, para garantizar un funcionamiento correcto, fiable y duradero, es esencial un circuito de control adecuado que estabilice la corriente, proteja contra picos de tensión y gestione la potencia disipada en forma de calor.
Parámetros eléctricos y ópticos clave
Para seleccionar y utilizar correctamente un LED infrarrojo, es necesario conocer e interpretar los siguientes parámetros fundamentales, normalmente especificados en la hoja de datos del fabricante:
- Tensión directa (VF): la caída de tensión en los extremos del LED cuando es atravesado por la corriente nominal. En los LED IR de GaAs, VF suele estar entre 1,2 V y 1,6 V, ligeramente inferior a la de los LED visibles debido al menor bandgap.
- Corriente directa (IF): la corriente de funcionamiento recomendada, que puede variar desde unos pocos mA en dispositivos sensores hasta cientos de mA en LED de alta potencia para iluminación. Superarla significativamente reduce drásticamente su vida útil.
- Corriente de pico (IFP): en los LED infrarrojos utilizados en aplicaciones pulsadas (como los mandos a distancia), es la corriente máxima admisible durante breves intervalos (del orden de microsegundos). Puede ser mucho mayor que IF, permitiendo obtener pulsos de luz muy intensos.
- Potencia óptica de salida (Po): el flujo radiante total emitido, medido en vatios (W) o milivatios (mW). En un LED estándar puede ser de algunas decenas de mW; en módulos de alta potencia, puede superar el vatio.
- Longitud de onda de pico (λp): la longitud de onda en la que la emisión es máxima. Se elige en función de la sensibilidad del detector (fotodiodo o fototransistor) que recibirá la señal.
- Ancho espectral a media altura (Δλ): la amplitud del espectro de emisión medida a la mitad de la potencia de pico. Los LED IR tienen normalmente un Δλ de 20–50 nm, mucho más ancho que el de un láser, lo que los hace menos adecuados para aplicaciones que exigen monocromaticidad extrema.
- Ángulo de emisión (θ1/2): el ángulo dentro del cual la intensidad radiante disminuye al 50 % del valor máximo (medido sobre el eje). Puede ser muy estrecho (10°–20°) con lentes colimadoras o muy amplio (120°–150°) para una iluminación difusa.
Nota técnica importante: la potencia óptica de salida (Po) y la longitud de onda de pico (λp) dependen fuertemente de la temperatura de unión. Al aumentar la temperatura, Po disminuye (degradación térmica de la eficiencia) y λp tiende a aumentar (desplazamiento hacia el rojo). Por lo tanto, un disipador térmico (sink térmico) adecuado es fundamental para mantener prestaciones estables, especialmente en LED infrarrojos de alta potencia.
Circuitos de control: esquema básico
El circuito más sencillo para controlar LED infrarrojos consiste en una resistencia limitadora de corriente en serie, alimentada por una tensión (VCC). El valor de la resistencia Rs se calcula mediante la ley de Ohm: Rs = (VCC - VF) / IF. Si se utiliza una tensión de 5 V, un LED IR con VF = 1,4 V e IF = 100 mA, se necesitará una resistencia Rs = (5 – 1,4) / 0,1 = 36 Ω. Esta resistencia debe dimensionarse también para la potencia disipada: P = (VCC – VF) · IF = 0,36 W en este ejemplo, por lo que se deberá elegir una resistencia de al menos 0,5 W.
Para aplicaciones que requieren mayor estabilidad de corriente (por ejemplo, para evitar variaciones de intensidad con la temperatura o para controlar matrices de LED en serie), es preferible utilizar circuitos de control de corriente constante. Estos pueden implementarse con reguladores de corriente dedicados, transistores en configuración de fuente de corriente o controladores LED integrados. En los LED infrarrojos utilizados en modo pulsado a alta velocidad (como en comunicaciones de datos IR), el circuito de control debe ser capaz de conmutar rápidamente la corriente, a menudo empleando transistores MOSFET rápidos.
Diferencias fundamentales entre LED infrarrojos y LED tradicionales
Aunque comparten la misma arquitectura básica, los LED infrarrojos y los LED para iluminación visible presentan diferencias sustanciales derivadas de sus distintos objetivos aplicativos. Estas diferencias no solo afectan a la longitud de onda emitida, sino también al diseño del chip, a las características del encapsulado, a las métricas de rendimiento y a las técnicas de medición. Comprenderlas es esencial para seleccionar el componente adecuado en cada aplicación y evitar errores comunes de diseño.
Materiales, eficiencia y medición del rendimiento
La diferencia más evidente radica, naturalmente, en el material semiconductor activo. Mientras que los LED blancos para iluminación utilizan normalmente nitruros (InGaN) para la emisión en el azul/UV, combinados con fósforos para la conversión de longitud de onda, los LED IR emplean arseniuros o fosfuros, como se ha visto anteriormente. Esta diferencia tiene implicaciones directas en la tensión umbral (más baja en los IR) y en la eficiencia.
La eficiencia de un LED se mide de forma distinta según sea visible o infrarrojo. En un LED visible, la atención se centra en la percepción humana de la luz, medida en lúmenes (lm) y eficiencia luminosa (lm/W). La curva de sensibilidad del ojo humano (fotópica, V(λ)) pondera las distintas longitudes de onda. En cambio, en un LED infrarrojo, dado que la emisión es invisible, la métrica relevante es la eficiencia radiante, expresada como la relación entre la potencia óptica total emitida (en vatios) y la potencia eléctrica de entrada (W/W, o a menudo mW/mA). Los LED IR pueden alcanzar eficiencias radiantes muy altas, a menudo superiores al 40–50 %, ya que no existe la ineficiencia intrínseca de la conversión por fósforos (down-conversion) típica de los LED blancos.
La siguiente tabla compara las principales características:
| Característica | LED visibles (ej. blanco 4000 K) | LED infrarrojos (ej. 850 nm) | Implicaciones prácticas |
|---|---|---|---|
| Material activo | InGaN + Fósforos YAG | GaAs, GaAlAs | Los LED IR requieren procesos de fabricación distintos y tienen tensiones umbral más bajas. |
| Métrica de rendimiento | Lúmenes (lm), eficiencia luminosa (lm/W) | Potencia radiante (W), eficiencia radiante (W/W o %) | Los luxómetros son inútiles para IR. Se necesitan radiómetros o fotodiodos calibrados. |
| Encapsulado y lente | Transparente o difusor opalino para mezclar la luz | A menudo negro o azul oscuro (epoxi "transparente al IR") | El encapsulado negro reduce la reflexión de luz visible parásita, mejorando el contraste para los sensores. |
| Sensibilidad térmica | Alta: el flujo luminoso y la temperatura de color varían con Tj | Alta: la potencia radiante y λp varían con Tj | En ambos casos, la gestión térmica es crítica para la estabilidad y la duración. |
| Aplicación principal | Iluminación para visión humana | Comunicación, sensorización, iluminación para cámaras | El diseño óptico (lente) está optimizado para el detector objetivo, no para el ojo humano. |
Consideraciones sobre la seguridad ocular
Un aspecto crítico y a menudo descuidado es la seguridad ocular. La radiación infrarroja, al ser invisible, no desencadena el reflejo de parpadeo (blink reflex) que protege el ojo de fuentes luminosas visibles intensas. Además, la córnea y el cristalino son transparentes al infrarrojo cercano, por lo que la radiación puede alcanzar, y potencialmente dañar, la retina, al igual que la luz visible.
Por lo tanto, en el caso de los LED infrarrojos de alta potencia, es fundamental cumplir con las normas de seguridad (como la norma IEC 62471), que definen los límites de exposición. A menudo, estos LED se clasifican como "Clase 1" (seguros en todas las condiciones de uso razonablemente previsibles) solo si se integran en un producto que limita el acceso directo o la potencia emitida. Diseñar con LED IR exige, por tanto, una atención especial a los riesgos derivados de la invisibilidad de la radiación que emiten.
Ámbitos de aplicación de los LED infrarrojos
La invisibilidad de la radiación infrarroja al ojo humano, unida a su capacidad de interactuar con materiales y sensores de formas específicas, convierte a los LED infrarrojos en componentes indispensables en un amplísimo abanico de sectores. Sus aplicaciones pueden agruparse en tres grandes áreas: comunicación y control, donde la luz IR actúa como medio transmisor de datos o comandos; sensorización y detección, donde el IR se emplea como sonda para medir propiedades físicas o químicas; y iluminación para visión artificial, donde proporciona luz "oculta" para activar cámaras sensibles al IR. Cada contexto aprovecha combinaciones específicas de longitud de onda, potencia y modo operativo del LED.
Seguridad y vigilancia: iluminación nocturna invisible
Uno de los usos más comunes y reconocibles de los LED infrarrojos es en la iluminación auxiliar para cámaras de seguridad (CCTV) y videoporteros. Las cámaras CCD y CMOS estándar son sensibles no solo a la luz visible, sino también al infrarrojo cercano (NIR), normalmente hasta unos 1000–1100 nm. Instalando una matriz de LED infrarrojos de alta potencia (a menudo de 850 nm o 940 nm) alrededor del objetivo de la cámara, es posible iluminar la escena por la noche sin producir el más mínimo brillo visible, garantizando así una vigilancia discreta y continua.
La elección entre 850 nm y 940 nm implica un compromiso. Los LED IR de 850 nm ofrecen un rendimiento superior: los sensores de las cámaras suelen ser más sensibles a esta longitud de onda, y la luz emitida, aunque casi completamente invisible, presenta un tenue brillo rojizo cuando se observa de cerca, lo que puede ser útil para verificar su funcionamiento.
Los LED IR de 940 nm son, en cambio, totalmente invisibles (sin ningún brillo), lo que maximiza la discreción, pero exige cámaras con sensores de alta calidad para obtener el mismo rendimiento de iluminación, ya que la sensibilidad del silicio comienza a disminuir considerablemente más allá de 900 nm. La potencia requerida depende de la distancia a iluminar: para cubrir grandes áreas (patios, aparcamientos) se utilizan iluminadores IR externos con haces colimados y potencias que pueden alcanzar varios vatios.
Ampliación: el diseño de un iluminador IR eficaz no se limita a la selección de los LED. La distribución óptica (lentes de Fresnel o reflectores parabólicos) debe estudiarse para adaptarla al campo de visión de la cámara. Además, dado que los LED infrarrojos generan calor, el uso de disipadores adecuados y de materiales resistentes a la intemperie (con grado de protección IP66 o superior) es fundamental para garantizar la fiabilidad a largo plazo de la instalación, especialmente en entornos exteriores. Ledpoint ofrece soluciones diseñadas para estas exigencias críticas.
Automatización, mandos a distancia y comunicación óptica
Este es el ámbito en el que los LED infrarrojos debutaron a gran escala: el mando a distancia. Prácticamente todos los mandos a distancia para TV, acondicionadores de aire o sistemas de audio utilizan un LED IR (normalmente de 940 nm) para transmitir los comandos mediante un protocolo digital modulado. Las ventajas son su bajo coste, su inmunidad a las interferencias electromagnéticas y su direccionalidad (la señal no atraviesa paredes, evitando interferencias entre dispositivos en distintas habitaciones).
Más allá de los mandos a distancia de consumo, los LED IR tienen cabida en la automatización industrial y en los sensores de proximidad. Pares LED IR-fototransistor pueden detectar la presencia o ausencia de un objeto (sensores de barrera), medir su distancia (por triangulación o tiempo de vuelo) o leer códigos de barras. En la industria, estos sensores son preferidos en entornos polvorientos o donde los sensores magnéticos podrían verse afectados por campos electromagnéticos. En comunicaciones de datos a corto alcance (IrDA), aunque ampliamente sustituidas por Bluetooth, los LED infrarrojos siguen ofreciendo un canal seguro y de baja latencia para el intercambio de archivos entre dispositivos.
Funcionamiento de un mando a distancia infrarrojo
El corazón del sistema es el LED infrarrojo, controlado por un circuito integrado codificador. Al pulsar una tecla, el circuito genera una secuencia de pulsos digitales específica para ese comando (protocolos comunes son RC-5, NEC, SIRC). Esta señal modula la corriente que atraviesa el LED IR, encendiéndolo y apagándolo a frecuencias típicas de 38 kHz o 56 kHz. La modulación en portadora es fundamental por dos razones: aumenta la eficiencia radiante (se envían pulsos de pico de alta potencia) y permite al receptor (un fotodiodo sintonizado en la misma frecuencia) filtrar la luz ambiental constante (ruido) y reconocer únicamente la señal modulada. Este principio, simple pero eficaz, ha convertido a la tecnología IR en el estándar de facto para el control remoto durante décadas.
Aplicaciones biomédicas y analíticas
En el ámbito médico y analítico, los LED infrarrojos son herramientas valiosas para el diagnóstico no invasivo. La luz en el infrarrojo cercano (a menudo denominada "ventana terapéutica", entre 650 y 1350 nm) penetra más profundamente en los tejidos biológicos que la luz visible, ya que es menos absorbida por la hemoglobina y el agua. Esto permite técnicas como la espectroscopía en el infrarrojo cercano (NIRS), donde matrices de LED IR de distintas longitudes de onda iluminan el tejido (por ejemplo, el cerebro o un músculo), y un detector analiza la luz reflejada o transmitida para deducir parámetros como la oxigenación sanguínea (oximetría), el metabolismo tisular o la composición química.
Otras aplicaciones incluyen los oxímetros de pulso digitales, que utilizan pares de LED rojos e infrarrojos para medir la saturación de oxígeno en sangre (SpO2), y dispositivos para la fototerapia, donde la luz IR se emplea para estimular la circulación, reducir la inflamación o acelerar la cicatrización de heridas. En el laboratorio, los LED IR estabilizados térmicamente son fuentes compactas y económicas para espectrofotómetros y analizadores de composición.
Avicultura y ganadería
En el sector avícola, los LED infrarrojos ofrecen soluciones innovadoras para el bienestar animal y la sostenibilidad. Utilizados principalmente en forma de paneles radiantes, proporcionan un calentamiento directo y localizado para pollitos y animales jóvenes, con una eficiencia energética hasta un 60 % superior a los sistemas tradicionales. Además, la luz IR puede contribuir a reducir comportamientos problemáticos, como el picaje de plumas en gallinas ponedoras, creando un entorno más tranquilo. La iluminación infrarroja también permite un monitoreo continuo de los animales mediante cámaras IR sin alterar su ciclo día-noche, favoreciendo una cría más precisa y respetuosa.
Espectros IR utilizados en avicultura: Las aplicaciones avícolas aprovechan dos bandas principales del espectro infrarrojo. Para el calentamiento radiante se emplean predominantemente LED de 850 nm y 940 nm, con una preferencia por los de 940 nm cuando se requiere total invisibilidad. Para el calentamiento profundo de los tejidos, especialmente en pollitos, son particularmente eficaces los espectros en torno a 980 nm, donde la absorción por el agua contenida en los tejidos biológicos es muy elevada, garantizando una conversión óptima de la energía luminosa en calor.
LED infrarrojos: un mundo en constante evolución
La tecnología de los LED infrarrojos continúa evolucionando, impulsada por la demanda de sistemas de sensorización cada vez más inteligentes, comunicaciones seguras y herramientas diagnósticas portátiles. Las tendencias futuras apuntan hacia LED IR de alta eficiencia y alta potencia en paquetes cada vez más compactos, matrices integradas con micro-ópticas para modelado dinámico del haz (beam shaping), y la convergencia con otras tecnologías, como los sensores térmicos e inteligencia artificial para el análisis de los datos recogidos.
En este panorama tecnológicamente avanzado, elegir al proveedor adecuado para los componentes optoelectrónicos es crucial. El apoyo en la selección de la longitud de onda adecuada, el diseño de circuitos de control óptimos y el asesoramiento sobre la integración mecánica y térmica garantiza que cada instalación alcance el máximo rendimiento y fiabilidad.
Tanto si está desarrollando un nuevo sistema de videovigilancia, un dispositivo médico innovador o una línea de automatización industrial, comprender a fondo las potencialidades y especificaciones técnicas de los LED infrarrojos es el primer paso hacia el éxito. Esta guía ha intentado proporcionar las bases sólidas para dicha comprensión, con la convicción de que la luz invisible del infrarrojo seguirá iluminando el camino del progreso tecnológico en numerosos sectores.