Partes de un LED

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Diodo LED

Un LED, siglas en inglés de Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz cuasi-monocromática, es decir, con un espectro muy angosto, cuando se polariza de forma directa y es atravesado por una corriente eléctrica. El color, (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode).

El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta energía se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria.

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo [1].

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs.

El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

Es totalmente diferente que una lámpara tradicional y tiene una estructura muy simple y muy fuerte.

Los 4 componentes básicos de su estructura son:

 Material emisor semiconductor, montado en un chip-reflector, este material determina el color de la luz.

 Los postes conductores (cátodo y ánodo).  El cable conductor que une los dos polos.

Un lente que protege al material emisor del LED y determina el haz de la luz.

A (p) C ó K (n)

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El LED es un objeto que permite el flujo de corriente en una sola dirección. Dos materiales conductivos cualesquiera forman un diodo cuando son puestos en contacto. Cuando la electricidad pasa a través de un diodo, los átomos de uno de los materiales (contenido en un chip-reflector) son excitados a un mayor nivel. Los átomos en el primer material retiene mucha energía y requieren liberarla. Esta energía delibera como electrones al segundo material dentro del chip-reflector, durante esta liberación se produce la luz. El color de la luz es relativa a los materiales emisores semiconductores y procesos de elaboración del chip-reflector.

Partes de un LED

1. Lente Epóxico: Este lente mantiene todo el paquete estructurado, determina el haz de luz, protege al chip reflector, además de extraer el flujo luminoso.

2. Cable Conductor: Es un cable muy delgado de oro, el cual conecta cada terminal a cada uno de los postes conductores.

3. Chip: Consiste en dos capas de material emisor semiconductor, cuando los átomos son excitados por un flujo de corriente intercambiando electrones, creando la luz.

4. Reflector: Está por debajo del Chip reflejando y proyectando luz hacia fuera, sólo un 3% se queda atrapada.

5. Cátodo: Poste hecho de aleación de cobre y conduce carga negativa, el cátodo es más corto que el ánodo para facilitar un ensamble más rápido y preciso en el circuito.

6. Ánodo: Poste hecho en aleación de cobre y conduce carga positiva.

¿Cómo funcionan?

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La luz producida mediante el efecto fotoeléctrico tiene una frecuencia determinada (es decir, es de un sólo color), que depende del tipo de material. También existe el efecto contrario, que hace que los paneles fotovoltaicos produzcan electricidad al exponerlos a la luz.

Los diodos LED se conocen desde los años 60. Son esos pilotos rojos y verdes que hay en todos los aparatos electrónicos. Dentro de la caperuza de plástico de un diodo LED hay un material semiconductor. Cuando se aplica una pequeña corriente eléctrica, emite luz, sin producir calor y con un color definido. El color puede ser incluso invisible para el ojo humano, como los LED infrarrojos que hay en el mando a distancia del televisor.

Una cuestión de color azul

Si los diodos LED son tan antiguos, ¿por qué no se han popularizado antes? El problema es precisamente el color. Los diodos rojos y verdes eran muy fáciles y baratos de producir, pero los azules no. Todo cambió en 1993 cuando el investigador Shuji Nakamura descubrió un proceso más barato de fabricación con dos compuestos: Nitruro de Galio y nitruro de Indio, que son los que se utilizan en la actualidad.

Para conseguir luz blanca hay que mezclar en partes iguales luz roja, verde y azul. Se puede hacer el experimento de mirar de cerca una parte blanca de la pantalla del ordenador, y se comprobará que está compuesta de diminutos puntos de estos colores. Al alejarse, se ve el color blanco.

El descubrimiento de los LED azules abrió la puerta a la iluminación doméstica, pantallas de ordenador más ligeras y luces de discoteca más espectaculares, que pueden adoptar cualquier color y controlarse con un PC, y también a una avalancha de pilotos azules en electrodomésticos y coches "tuneados".

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Ventajas de los diodos LED

Tamaño: a igual luminosidad, un diodo LED ocupa menos espacio que una bombilla incandescente.

Luminosidad: los diodos LED son más brillantes que una bombilla, y además, la luz no se concentra en un punto (como el filamento de la bombilla) sino que el todo el diodo brilla por igual.  Duración: un diodo LED puede durar 50.000 horas, o lo que es lo mismo, seis años encendidos

constantemente. Eso es 50 veces más que una bombilla incandescente.

Consumo: un semáforo que sustituya las bombillas por diodos LED consumirá 10 veces menos con la misma luminosidad.

LEDS: la iluminación eficiente

Las bombillas de filamentos y las de bajo consumo, pronto se verán sustituidas por tecnología basada en los diodos led. Ya hemos empezado a verlos en los semáforos y en pantallas de grandes dimensiones, ahora, por fin, entran en nuestros hogares. Las ventajas que presentan son importantes:

No tienen filamento: por lo tanto duran mucho más (hasta 50.000 horas) y son más resistentes a los golpes.

Son realmente eficientes: una bombilla convencional utiliza un

10% de la energía que consume para producir luz, el 90% restante se desaprovecha produciendo calor. Con los diodos leds es justo al revés: el 90% se emplea en producir luz.

No emiten ni infrarrojos ni ultravioletas, sólo luz visible.

Tamaño: a igual luminosidad, un diodo LED ocupa menos espacio que una bombilla incandescente.

Luminosidad: los diodos LED son más brillantes que una bombilla, y además, la luz no se concentra en un punto (como el filamento de la bombilla) sino que el todo el diodo brilla por igual. A diferencia de las lámparas incandescentes, y lámparas fluorescentes casi toda la energía utilizada por el LED es convertida en luz en lugar de calor.

Duración: un diodo LED puede durar 50.000 horas, o lo que es lo mismo, seis años encendido constantemente. Eso es 50 veces más que una bombilla incandescente. Vibración o golpes rompen fácilmente el filamento de una lámpara incandescente y el vidrio del tubo de una lámpara fluorescente. Los LEDs, en el otro extremo representan tecnología de estado sólido y son

virtualmente indestructibles.

Consumo: un semáforo que sustituya las bombillas por diodos LED consumirá 10 veces menos con la misma luminosidad.

Tecnología LED/OLED

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mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los LED e IRED, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.

Compuestos empleados en la construcción de LED.

Compuesto

Color

Long. de onda

Arseniuro de galio (GaAs)

Infrarrojo

940nm

Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) Rojo e infrarrojo

890nm

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)

Rojo, naranja y amarillo 630nm

Fosfuro de galio (GaP)

Verde

555nm

Nitruro de galio (GaN)

Verde

525nm

Seleniuro de zinc (ZnSe)

Azul

Nitruro de galio e indio (InGaN)

Azul

450nm

Carburo de silicio (SiC)

Azul

480nm

Diamante (C)

Ultravioleta

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Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes.

Tanto los diodos azules como los ultravioletas son caros respecto de los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.

Los LED comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor (ver convección) generado por efecto Joule. En 2002 se comercializaron diodos para potencias de 5 W, con eficiencias en torno a 60 lm/W, es decir, el equivalente a una lámpara incandescente de 50 W. De continuar esta progresión, en el futuro será posible el empleo de LED en la iluminación.

El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (LED orgánicos), fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas a color.

Aplicaciones

Antiguo display LED de una calculadora.

Una pequeña linterna a pilas con LEDs.

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La pantalla en Freemont Street en Las Vegas es actualmente la más grande del mundo.

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores.

Los LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED.

El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta indudables ventajas: larga vida útil, una menor fragilidad y una mejor disipación de energía. Asimismo, para el mismo rendimiento luminoso, producen luz de color, mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce notablemente su rendimiento.

Los White LEDs son el desarrollo más reciente. Un intento muy bien fundamentado para sustituir las bombillas actuales por dispositivos mucho más eficientes desde un punto de vista energético.

También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través de fibra óptica.

Conexión

La diferencia de potencial varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada.

En términos generales puede considerarse:

 Rojo = 1 V

 Rojo alta luminosidad = 1,9V  Amarillo = 1,7V a 3V

 Verde = 2,4V

 Verde alta luminosidad = 3,4V  Naranja = 2,4V

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 Azul 430nm = 4,6V  Blanco = 3,7V

Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia adecuada para la tensión de la fuente que utilicemos.

El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad de luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 para LEDs de baja luminosidad y 20mA para LEDs de alta luminosidad; un valor superior puede inhabilitar el LED o reducir de manera considerable su tiempo de vida.

Otros LEDs de una mayor capacidad de corriente conocidos como LEDs de potencia (1w, 3w, 5w,etc), pueden ser usados a 150mA, 350mA, 750mA o incluso a 1,000 mA dependiendo de las características opto-eléctricas dadas por el fabricante.

Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las diferencias de potencial en cada uno.

También se pueden hacer configuraciones en paralelo, aunque este tipo de configuraciones no son muy recomendadas para diseños de circuitos con LEDs eficientes.

Alumbrado público, iluminación vial, parques y jardines

Leds para alumbrado publico e iluminación vial

Montada con 28 leds High Power de 1W tipo Luxeón Emitter. Consumo 36W

Rango de 85V a 365V Base E40

Disipador de aluminio anodizado 2.000 lúmenes

Más de 8 veces la luz de una lámpara halógena 50.000 horas de duración

Sin mantenimiento

Óptica para ampliación de ángulo de luz No emite radiación

Consume 18w Ecológica

No emite calor ni radiaciones, luz direccional No produce contaminación lumínica

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