Tecnología LED

Investigación

– QUE ES UN LED? – Se refiere a un componente opto-electrónico, más concretamente, un diodo emisor de luz.

Visión general

Los LED’s se usan como indicadores en dispositivos y en iluminación. Los primeros emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

Debido a sus altas frecuencias de operación son también útiles en tecnologías avanzadas de comunicaciones. Los LED’s infrarrojos también se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores e infinidad de aplicaciones de hogar y consumo doméstico.


LED de montaje superficial de un indicador de stand-by

Características Físicas:

Existen tres formas principales de conocer la polaridad de un LED:

  1. La pata más larga siempre es el ánodo(A)
  2. En el lado del cátodo(K), la base del encapsulado tiene un borde plano
  3. Dentro del LED, la plaqueta indica el ánodo(A). Se puede reconocer porque es más pequeña que el yunque, que indica el cátodo (K).

Ventajas y desventajas

–Ventajas

Presentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente y fluorescente, principalmente por el bajo consumo de energía, mayor tiempo de vida, tamaño reducido, durabilidad, resistencia a las vibraciones, reducen la emisión de calor, no contienen mercurio (el cual al exponerse en el medio ambiente es altamente venenoso), en comparación con la tecnología fluorescente, no crean campos magnéticos, que generan radiación residual hacia el ser humano; cuentan con mejor índice de producción cromática que otros tipos de luminarias, reducen ruidos en las líneas eléctricas, son especiales para utilizarse con sistemas fotovoltaicos (paneles solares) en comparación con cualquier otra tecnología actual; no les afecta el encendido intermitente (es decir pueden funcionar como luces estroboscópicas) y esto no reduce su vida promedio, son especiales para sistemas antiexplosión ya que cuentan con un material resistente, y en la mayoría de los colores (a excepción de los azules), cuentan con un alto nivel de fiabilidad y duración.

Tiempo de encendido:

Tienen la ventaja de poseer un tiempo de encendido muy corto (aproximadamente en un cuarto de segundo) en comparación con las luminarias de alta potencia como lo son las luminarias de alta intensidad de vapor de sodio, aditivos metálicos, halogenuro o halogenadas y demás sistemas con tecnología incandescente.

Variedad de colores



LED’s de distintos colores.

La excelente variedad de colores que producen los LED’s ha permitido el desarrollo de nuevas pantallas electrónicas de texto monocromáticas, bicolores, tricolores y RGB, con la habilidad de reproducción de vídeo para fines publicitarios, informativos o tipo indicadores.

–Desventajas

Según un estudio reciente, parece ser que emiten una frecuencia de luz muy azul, pueden ser dañinos para la vista y provocar contaminación lumínica. Con la potencia suficiente para la iluminación de interiores son relativamente caros y requieren una corriente eléctrica más precisa, por su sistema electrónico para funcionar con voltaje alterno, y requieren de disipadores de calor cada vez más eficientes en comparación con las bombillas fluorescentes de potencia equiparable.

Funcionamiento

Cuando un LED se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor. Por lo general, el área de un LED es muy pequeña (menor a 1 mm2), y se pueden usar componentes ópticos integrados para formar su patrón de radiación.

Tecnología de fabricación

En corriente continua (cc), todos los diodos emiten cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan; es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía) emitiendo fotones en el proceso. Indudablemente 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’s e IRED (diodos infrarrojos) 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’s

Compuesto

Color

Long. de onda

arseniuro de galio (GaAs)

Infrarrojo

940 nm

arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)

rojo e infrarrojo

890 nm

arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)

rojo, anaranjado y amarillo

630 nm

fosfuro de galio (GaP)

verde

555 nm

nitruro de galio (GaN)

verde

525 nm

seleniuro de cinc (ZnSe)

azul

nitruro de galio e indio (InGaN)

azul

450 nm

carburo de silicio (SiC)

azul

480 nm

diamante (C)

ultravioleta

silicio (Si)

en desarrollo

Los primeros LED’s 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 años noventa por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos, verdes y amarillos desarrollados con anterioridad, lo que permitió —por combinación de los mismos— la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de cinc 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 ultravioleta, que se han empleado con éxito en la producción de luz negra para iluminar materiales fluorescentes. Tanto los azules como los ultravioletas son caros respecto a los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.

Los 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 vatio 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.

Hoy en día se están se comercializan LED con prestaciones muy superiores a las de hace unos años y con un futuro prometedor en diversos campos. Como ejemplo, se puede destacar que Nichia Corporation ha desarrollado LED de luz blanca con una eficiencia luminosa de 150 lm/W utilizando para ello una corriente de polarización directa de 20 mA. Esta eficiencia, comparada con otras fuentes de luz solamente en términos de rendimiento, es aproximadamente 1,7 veces superior a la de la lámpara fluorescente con prestaciones de color altas (90 lm/W) y aproximadamente 11,5 veces la de una lámpara incandescente (13 lm/W). Su eficiencia es incluso más alta que la de la lámpara de vapor de sodio de alta presión (132 lm/W), que está considerada como una de las fuentes de luz más eficientes.


Explicación detallada de funcionamiento

El funcionamiento normal consiste en que, en los materiales conductores, un electrón, al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía perdida, cuando pasa un electrón de la banda de conducción a la de valencia, se manifieste como un fotón desprendido o como otra forma de energía (calor por ejemplo) depende principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la zona positiva se mueven hacia la zona negativa y los electrones se mueven de la zona negativa hacia la zona positiva; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo.

Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueden pasar a “ocupar” los huecos “cayendo” desde un nivel energético superior a otro inferior más estable. Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda prohibida directa [direct bandgap]) con la energía correspondiente a su banda prohibida. Esto no quiere decir que en los demás semiconductores (semiconductores de banda prohibida indirecta [indirect bandgap]) no se produzcan emisiones en forma de fotones; sin embargo, estas emisiones son mucho más probables en los semiconductores de banda prohibida directa (como el nitruro de galio) que en los semiconductores de banda prohibida indirecta (como el silicio).

La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en todos los diodos y solo es visible en diodos como los LED de luz visible, que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible. En otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En el caso de que el diodo libere la energía en forma de radiación ultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiación para producir radiación visible mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes que absorban la radiación ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luz visible.

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 solo 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.

Para obtener buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED.

Para ello hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación. Los valores típicos de corriente directa de polarización de un LED corriente están comprendidos entre los 10 y los 40 mA. En general, suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos). El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

Esquemas

Circuito básico para polarizar varios LED’s de manera directa.

Para conectar un LED de modo que ilumine de forma continua, deben estar polarizado directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de alimentación este conectado al ánodo (A) y el polo negativo (K) este conectado al cátodo. Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a su tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no exceda los límites admisibles, lo que dañaría irreversiblemente al LED. Esto se realiza de manera sencilla con una resistencia R en serie con el LED. En las dos imágenes pueden verse unos circuitos sencillos que muestran la polarización directa de un LED.

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

Circuito básico para polarizar varios LED’s de manera directa.

 

En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los siguientes valores de diferencia de potencial:

Rojo = 1,8 a 2,2 V.
Naranja = 2,1 a 2,2 V.
Amarillo = 2,1 a 2,4 V.
Verde = 2 a 3,5 V.
Azul = 3,5 a 3,8 V.
Blanco = 3,6 V.

 

 

 

Cálculo de la Resistencia Limitadora

Los LED’s suelen trabajar con tensiones de entre 1,5 y 4 Volts y corrientes del orden de los 20 mA por lo que en la gran mayoría de los casos deberemos intercalar una resistencia limitadora en serie entre los LED’s y la fuente de alimentación. Para el cálculo de esta resistencia se utiliza la siguiente formula en el caso de que se desee conectar un solo LED:

Dibujo

Donde:

R es el valor de la resistencia en Ω (Ohmios).
VS (Source Voltage) es la tensión de la fuente de alimentación en Voltios.
VF (Fordward Voltage) es la tensión de polaridad directa del LED en Voltios.
IF (Fordwar Current) es la corriente de trabajo del LED en Amperios.

Una vez calculada la resistencia, se seleccionará el componente de valor normalizado superior más próximo al calculado y que posea una capacidad de disipación de potencia acorde al circuito. Generalmente esta potencia será de 1/4 W. En este caso se realizará el conexionado de la siguiente forma:


El cálculo de la resistencia a utilizar en caso de que se desee conectar varios LED’s en serie será:

Dibujo2

Donde:

R es el valor de la resistencia en Ω (Ohmios).
N es la cantidad de LED’s conectados en serie.
VS (Source Voltage) es la tensión de la fuente de alimentación en Volts.
VF (Fordward Voltage) es la tensión de polaridad directa del LED en Volts.
IF (Fordwar Current) es la corriente de trabajo del LED en Ampere.


Para la conexión tipo serie, siempre se deberá verificar que el número de LED’s interconectados (N), multiplicado por su VF sea menor o igual que la tensión de la fuente. En caso de necesitar conectar más de la cantidad N posible se recurrirá a sendas combinaciones de estos circuitos independientes en paralelo con la alimentación (Montaje de Semáforos de LED).

Luminaria de Semáforo Verde apagada.

Luminaria de Semáforo Verde encendida