LED: ¿Qué es y cómo funciona? Tipos, características y aplicaciones.

Hoy te quiero platicarte sobre estos míticos componentes, aprenderás ¿Qué es un LED? Y sus principales funciones, conocerás como esta conformado y algunos tipos muy importantes para su manejo y utilización, recuerda que este post forma parte de nuestros tutoriales de electrónica básica y que si te gustan no olvides compartir con un amigo.

¿Qué es un Led?

LED significa Light Emitting Diode y es un tipo de diodo emisor de luz visible y/o invisible (Leds infrarrojos) de estado sólido y se activa cuando es polarizado en directa aplicando una diferencia de potencial en sus terminales.

Los LED forman parte de los diodos de unión p-n que al ser polarizados en directa provoca una recombinación de huecos y electrones como respuesta a esta excitación. Una recombinación de huecos y electrones requiere que la energía procesada por los electrones libres sea liberada y en forma de calor o fotones.

Símbolo del LED

El símbolo de un LED es prácticamente igual al de un diodo, solo que tiene dos flechitas extras que indican que emite luz.

¿De qué está hecho un Led?

Los diodos de Silicio y Germanio al ser excitados con voltaje, liberan energía en forma de calor y la liberación de fotones es insignificante, es por ello que en la fabricación de LEDs se emplean otros semiconductores y metales.

Existe un tercer material, Arseniuro de Galio (GaAs) que al ser excitado la recombinación de huecos y electrones emite fotones en frecuencias de luz no visible, a este tipo de LED emisor de luz invisible se le conoce como LED infrarrojo, así que por el momento nos centraremos en aquellos LED de luz visible.

Tonalidades de un LED

En la construcción de un LED de luz visible se utilizan diferentes elementos para lograr la tonalidad deseada, por ejemplo:

• Tonalidades de Azul, suele utilizarse Nitruro de Galio (GaN) con un voltaje en directa de 5 volts
• Tonalidades de Verde, suele utilizarse Fosfuro de Galio (GaP) con un voltaje en directa de 2.2 volts
• Tonalidades de Naranja, suele utilizarse Fosfuro de galio y arsénico (GaAsP) con un voltaje en directa de 2.0 volts
• Tonalidades de Rojo, suele utilizarse Fosfuro de galio y arsénico (GaAsP) con un voltaje en directa de 1.8 volts
• Tonalidades Ámbar, suele utilizarse Fosfuro de aluminio indio y galio (AlInGaP) con un voltaje en directa de 2.1 volts
• Blanco, suele utilizarse Nitruro de Galio (GaN) con un voltaje en directa de 4.1 volts
• Tonalidades de Amarillo, suele utilizarse Fosfuro de aluminio indio y galio (AlInGaP) con un voltaje en directa de 2.1 volts

Información recopilada de “Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos” de Robert L. Boylestad y Louis Nashelsky que puedes adquirir en Amazon.

¿Cómo funciona un Led?

Un LED es un tipo de diodo que al aplicar un voltaje se lleva a cabo una recombinación de huecos y electrones en la unión p-n y utilizando los elementos adecuados como los mencionados en la lista anterior, la unión polarizada en directa emite luz visible, existe un pequeño porcentaje de energía que se absorbe en la misma estructura, pero la mayor cantidad de energía es liberada a través de fotones lo que hace al Led uno de los componen de luz más eficientes.

Cuando has utilizado un Led o si en este momento tienes uno, podrás notar que existe dentro del encapsulado una superficie metálica más delga y otra un poco más gruesa, cada una de las superficies está conectada a su correspondiente material p-n, por ejemplo: la superficie metálica más pequeña se conecta al material tipo p con la intención de permitir la salida máxima de fotones o energía luminosa cuando el diodo esta polarizado en directa.

Espectro de frecuencia y longitud de onda

La emisión de luz debido a la recombinación de electrones y huecos se conoce como electroluminiscencia y cada color generado depende de la energía de cada fotón emitido fuera de la estructura debido a su longitud de onda, la cual, es una característica única en cada aleación de materiales, por ejemplo, el espectro en frecuencia de la luz infrarroja se extiende desde los 100 THz hasta los 400 THz, mientras que el de la luz visible es desde aproximadamente 400 THz hasta 750 THz, sin embargo, al hablar de los efectos de electroluminiscencia se suele hablar de la longitud de onda y no de la frecuencia, así que para poder calcular la longitud de onda se tiene la siguiente ecuación:

Donde

• λ es la longitud de onda en metros
• f es la frecuencia en Hertz
• c es igual a 3 x 10⁸ m/s (la velocidad de la luz en el espacio vacío)

Si observamos la ecuación podemos determinar que la inversión de la longitud de onda nos da como resultado la frecuencia, así mismo podemos determinar que a altas frecuencias tenemos longitudes de onda diminutas, comúnmente rondan los nanómetros (nm), por ejemplo, para el ojo humano promedio la longitud de onda visible se encuentra aproximadamente entre los 350 nm y 800 nm.

Al llevarse a cabo la recombinación de huecos y electrones se libera energía en forma de calor o fotones y como vimos anteriormente en algunos materiales el porcentaje de calor es mayor que el porcentaje de fotones liberados y viceversa, esto se debe a la brecha de energía de cada material.

Brecha de energía o banda prohibida

La banda prohibida o brecha de energía hacen referencia a la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. En términos simples podemos explicar este efecto indicando que esta diferencia de energía se puede representar o explicar más claramente indicando que para mover un electrón de un nivel de energía discreto a otro se requiere una cantidad específica de energía, y dado que es diferente para cada material seria la razón por la que el Silicio y Germanio no emiten luz durante su recombinación. La energía en este proceso se puede expresar de la siguiente manera:

Donde

• h es igual a la constante de Plank 6.6626 x 10^-34 Js
• c es igual a 3 x 10⁸ m/s (la velocidad de la luz en el espacio vacío)
• λ es la longitud de onda en metros

En resumen, lo que indica esta ecuación es que la longitud de onda y la frecuencia de la luz de un color en específico está completamente relacionado con la brecha de la banda de energía del material de la cual está construido el LED.

Índice de refracción

El índice de refracción es una manera de medir la reducción de la velocidad de la luz y en general de cualquier onda cuando pasan a través de un medio como el aire, vidrio, etc.

Esto es importante en el mundo de los LEDs ya que para construir un LED se requieren materiales con un alto índice de refracción, para garantizar que la luz emitida desde la unión p-n de los semiconductores, se refleje en su totalidad o en un porcentaje alto al exterior de los materiales, donde se encuentra otro medio diferente que precisamente es el aire.

A este fenómeno mediante el cual, la luz emitida por la unión pasa de un medio a otro que tienen un menor índice de refracción al medio en el que se encontraba se le conoce como reflexión interna total, por ejemplo, el índice de refracción del Silicio es de 3.96 mientras que el del aire es de 1,0002926.

Este efecto es de suma importancia ya que influye en la eficiencia de la luminosidad del Led, por ejemplo, de forma ideal para que un semiconductor tenga la máxima eficiencia en la salida de luz de la estructura debería ser una microesfera con la emisión de los fotones exactamente en el centro ya que todo rayo emitido desde el centro seria perpendicular a la esfera y no habría reflexiones internas.

¿Cuáles son las partes de un LED?

A continuación, se te dejo una lista de las partes que conforman un LED

• Ánodo
• Cátodo
• Encapsulado epóxico o lente
• Contacto metálico hilo conductor
• Capa reflectora
• Terminación del semiconductor
• Yunque
• Poste
• Marco conductor
• Borde plano

¿Cómo conectar un LED?

La conexión básica de un LED consiste de un circuito en serie con una resistencia de protección que limita la corriente que circula en el LED.

Calculadora online para obtener la resistencia de un LED

Para calcular la resistencia eléctrica de protección para un LED y tomando en cuenta el circuito anterior, solo ingresa los datos:

• De la fuente de voltaje
• Valor típico de voltaje de cada LED
• Y la corriente del circuito en amperes, por ejemplo: 20mA es 0.020 Amperes

¿Cómo calcular la resistencia de protección de un LED?

Ya tienes una herramienta para automatizar esta sección pero nunca esta demás aprender a realizar el calculo tu mismo sin depender de una herramienta.

Para calcular la resistencia en un LED solo debes de consultar la hoja de datos (DATASHEET) de tu dispositivo para saber su voltaje típico y su corriente nominal, por ejemplo, supongamos que nuestro led tiene los siguientes datos:

• voltaje mínimo de 1.8
• voltaje típico de 2
• voltaje máximo de 2.2
• y una corriente de 20 mili amperes

Con estos datos y aplicando la ley de OHM podemos conocer el valor de la resistencia aplicando la siguiente formula:

Donde

• V es el voltaje
• I es la corriente
• R la resistencia

Si utilizamos una fuente de alimentación o señal de 5 v de entrada, tenemos que restar el voltaje típico del LED (VD) al voltaje de entrada, por lo tanto, la ecuación queda de la siguiente manera:

Al sustituir cada valor tenemos:

La operación indica que deberíamos usar una resistencia de 150 OHM, que afortunadamente es un valor comercial, en dado caso que el valor resultante no sea un valor comercial, puedes optar por su valor comercial inmediato superior, o hacer un arreglo de resistencias en serio o paralelo para obtener un valor cercano al calculado.

¿Cómo calcular la potencia de la resistencia en serie al LED?

Dado que la corriente que corre en el LED es la misma que circula en la resistencia ya que están conectados en serie, podemos calcular la potencia eléctrica en la resistencia a través de la siguiente ecuación:

Si sustituimos los valores tenemos lo siguiente:

El valor de potencia requerido es de 0.06 watts por lo tanto una resistencia de cuarto de watt o medio watt es más que suficiente.

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Ya que tienes calculada tu resistencia y sabes que LED ocupar, te dejo algunas opciones de KIT de LEDs que son económicos y te los llevan a tu casa.

Tipos

Existe una gran variedad de tipos de diodos LED y haremos un artículo completo y dedicado a este tema, aquí en listaremos algunas variedades que existen en el mercado:

• LED DIP (Dual In-Line Package), son los más básicos y comunes del mercado regularmente son usados por estudiantes en las protoboard, este led es de baja eficiencia ya que solo consta de 4 lúmenes en general, es un diodo que lo cubre un encapsulado que regularmente es del color de la luz que emite.
• LED SMD (Surface Mount Device) o led de montaje superficial son pequeños leds que bien encapsulados en resinas semirrígidas.
• LED RGB su nombre se deriva de LED rojo, azul y verde que viene en un solo encapsulado con el cual se puede generar cientos de e incluso millones de tonalidades diferentes, en general va acompañado de un tren de impulsos o modulador de ancho de pulso para variar el encendido y las tonalidades.
• LED infrarrojo, como mencionamos anteriormente es un tipo de diodo con niveles de energía para emitir luz invisible.
• LED de alta potencia: son LED que pueden manejar mayores corrientes y, por lo tanto, producir mayores niveles de brillo.
• LED orgánicos (OLED): están hechos de materiales orgánicos que emiten luz cuando se aplica una corriente eléctrica. Se utilizan en pantallas de televisores y teléfonos inteligentes.

Orígenes e historia del Led

Henry Joseph Round en 1907 dio los primeros pasos con la electroluminiscencia anunciando su descubrimiento, pero no fue hasta la década de los 20s exactamente en 1927 cuando el inventor soviético Oleg Lósev informo la construcción del primer Led en la historia, publicando su gran hazaña en revistas científicas soviéticas, alemanas y británicas. En 1951 Kurt Lehovec, Carl Accardo y Edward Jamgochian estudiaron el primer diodo y lo llevaron a la práctica.

En 1955 Rubin Braunstein dio a conocer los principios de la radiación infrarroja del Arseniuro de Galio (GaAs) indicando que esta emisión de luz invisible se genera en diodos construidos con materiales y aleaciones de silicio-germanio (SiGe), fosfuro de indio (InP), arseniuro de galio (GaAs) y antimoniuro de galio (GaSb) a temperatura ambiente.

El mismo Braunstein en 1957 fue el primero en demostrar que el infrarrojo podía funcionar como un medio de comunicación inalámbrica y en este caso una comunicación óptica, realizo una prueba que consistía en transmitir la música generada por un tocadiscos, y lo logro modulando la corriente directa de un diodo GaAs dirigiéndola emisión infrarroja a otro diodo de Sulfuro de Plomo (PbS) que actuaba como el receptor infrarrojo y sorpresa, al recibir la radiación infrarroja el diodo PbS generaba una señal variable que al pasarla por un amplificador y enviarla a un altavoz la música fue transmitida inalámbricamente, su experimento se tomó como cierto ya que al impedir que la luz infrarroja llegara al receptor el altavoz de callaba.

Finalmente, en 1962 se crea el primer Led de luz visible o el famoso Led Rojo desarrollado por Nick Holonyak.Jr, quien trabaja para General Electric, en 1972 M. George Craford creo el primer Led Amarillo y mejoro en un factor de diez la luminosidad del Led Rojo y Rojo-Naranja.

Ahora ya sabes mucho sobre los LED, ayúdame compartiendo este articulo en tus redes sociales para llegar a mucha gente y poder seguir creando interesantes herramientas y clases de electrónica.

Fabricación y procesos de producción de los LED

La fabricación de LED es un proceso complejo que implica varios pasos y técnicas especiales. A continuación se describen los principales procesos de producción de los LED:

1. Crecimiento del cristal: El proceso comienza con el crecimiento de un cristal semiconductor mediante técnicas de deposición química de vapor (CVD) o epitaxia de haces moleculares (MBE).
2. Difusión de impurezas: Para crear zonas de tipo p y tipo n en el cristal, se introducen impurezas dopantes mediante técnicas de difusión o implantación iónica.
3. Metalización: Los contactos metálicos se agregan a las zonas p y n del cristal para permitir la conexión eléctrica del LED.
4. Recubrimiento de la capa de emisión: Se aplica una capa de material semiconductor especial que emite luz cuando se aplica una corriente eléctrica.
5. Encapsulamiento: Los LEDs se encapsulan en un material protector y se sueldan a un soporte para protegerlos de daños mecánicos y ambientales.
6. Pruebas y clasificación: Cada LED se somete a pruebas rigurosas para garantizar que cumpla con las especificaciones de rendimiento y calidad. Luego, se clasifican según su brillo y características eléctricas.

Es importante destacar que el proceso de producción de LED puede variar según el tipo y la aplicación específica del LED.

Eficiencia de un LED

Regularmente encontramos LED con potencias de unos cuantos miliwatts (30 o 60 mW tal vez) en 1999 aparecieron LED de potencias más altas que rondaban el Watt gracias a Philips Lumileds es una compañía líder que comúnmente conocemos como Philips.

La eficiencia de los LEDs supera por mucho a la eficiencia que puede alcanzar una bombilla incandescente, hoy en día es muy común encontrar lámparas de LED en infinidad de modelos, ya se para piscinas, exteriores, carros, motos, etc.

Future Lighting Solutions en el 2012 dio a conocer las eficiencias que alcanzaron sus LEDs, puedes encontrar los datos completos en Wikipedia:

• Rojo, 0.39 de coeficiente de eficiencia con 72 de eficiencia luminosa
• Rojo anaranjado, 0.29 de coeficiente de eficiencia con 98 de eficiencia luminosa
• Verde, 0.15 de coeficiente de eficiencia con 93 de eficiencia luminosa
• Cian, 0.26 de coeficiente de eficiencia con 75 de eficiencia luminosa
• Azul, 0.35 de coeficiente de eficiencia con 37 de eficiencia luminosa

Aplicaciones de un LED

Hoy en día los LED los podemos encontrar en infinidad de aparatos eléctricos que combinan su funcionamiento con transistores y otros semiconductores actuando como señales visuales o como fuentes de iluminación debido a su alta eficiencia, aquí algunos ejemplos:

Ventajas y desventajas de los LED en comparación con otras tecnologías de iluminación

Los LED tienen varias ventajas y desventajas en comparación con otras tecnologías de iluminación, entre ellas:

Ventajas de los LED:

• Alta eficiencia energética: Los LED consumen menos energía que las bombillas incandescentes y halógenas, lo que se traduce en un ahorro de energía y dinero a largo plazo.
• Larga duración: Los LED tienen una vida útil mucho más larga que las bombillas incandescentes y halógenas, lo que significa que no necesitan ser reemplazados con tanta frecuencia.
• Menor emisión de calor: Los LED emiten menos calor que las bombillas incandescentes y halógenas, lo que los hace más seguros y menos propensos a causar incendios o dañar objetos cercanos.
• Mayor flexibilidad en el diseño: Los LED son más pequeños y se pueden colocar en espacios más pequeños y en formas más creativas que las bombillas incandescentes y halógenas.

Desventajas de los LED:

• Costo inicial: Los LED suelen ser más caros que las bombillas incandescentes y halógenas.
• Problemas de calidad de luz: Algunos LED pueden producir luz con una calidad inferior a la de las bombillas incandescentes y halógenas, lo que puede afectar la percepción del color y el ambiente en el que se utilizan.
• Sensibilidad a la temperatura: Los LED pueden ser sensibles a la temperatura y su rendimiento puede disminuir en ambientes muy fríos o muy calurosos.
• Dispersión de luz: Algunos LED pueden tener problemas para dispersar la luz de manera uniforme, lo que puede resultar en áreas oscuras o desiguales.

Es importante tener en cuenta que la tecnología LED está en constante evolución y mejora, por lo que algunas de estas desventajas pueden ser abordadas en el futuro mediante avances tecnológicos.

Impacto ambiental de los LED y su eficiencia energética

Los LED tienen un impacto ambiental reducido en comparación con otras tecnologías de iluminación debido a su alta eficiencia energética y a que no contienen mercurio u otros materiales tóxicos. La producción de LED requiere menos materiales y energía que la producción de bombillas incandescentes o fluorescentes compactas. Además, los LED tienen una vida útil más larga, lo que significa que se necesitan menos reemplazos y se genera menos residuo.

En cuanto a la eficiencia energética, los LED son mucho más eficientes que las bombillas incandescentes y fluorescentes. Los LED convierten más del 70% de la energía que consumen en luz, mientras que las bombillas incandescentes solo convierten el 10% de la energía en luz y el resto se pierde como calor. Las bombillas fluorescentes también tienen una eficiencia energética inferior a la de los LED.

Los LED tienen un impacto ambiental positivo y una alta eficiencia energética, lo que los convierte en una opción de iluminación cada vez más popular en todo el mundo.

Mantenimiento y cuidado de los LED

El mantenimiento y cuidado de los LED es importante para asegurar su vida útil y su correcto funcionamiento. Algunas recomendaciones son:

1. Limpieza: Es importante mantener los LED limpios y libres de polvo y suciedad. Esto puede hacerse con un paño suave y seco, o con un limpiador específico para electrónica.
2. Temperatura: Los LED son sensibles a la temperatura, por lo que es importante asegurarse de que estén instalados en un lugar donde no se sobrecalienten. Si se usan en exteriores, es importante elegir luminarias que estén diseñadas para soportar las condiciones climáticas locales.
3. Alimentación eléctrica: Es importante asegurarse de que los LED estén conectados a una fuente de alimentación eléctrica que cumpla con las especificaciones del fabricante. Si se sobrealimentan, los LED pueden dañarse permanentemente.
4. Uso adecuado: Los LED están diseñados para funcionar de manera continua o intermitente, pero no para encenderse y apagarse constantemente. Es importante usarlos de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.
5. Reemplazo: Si un LED deja de funcionar, es importante reemplazarlo de inmediato para evitar que otros LED se sobrecarguen y se dañen. También es recomendable reemplazar todos los LED al mismo tiempo para asegurar un brillo uniforme.

Con un mantenimiento y cuidado adecuados, los LED pueden durar muchos años y ofrecer una iluminación eficiente y económica.

Tendencias y avances futuros en la tecnología LED

Los avances y las tendencias futuras en la tecnología LED incluyen:

1. Mayor eficiencia energética: Se espera que los LED sigan mejorando en cuanto a su eficiencia energética, lo que los hará aún más atractivos para su uso en iluminación.
2. Mayor duración: A medida que la tecnología de los LED mejora, se espera que la duración de los LED también aumente, lo que los hará aún más económicos y sostenibles a largo plazo.
3. Mayor versatilidad: Los LED se están utilizando cada vez más en aplicaciones más allá de la iluminación, como en pantallas, sensores y comunicaciones. Se espera que esta tendencia continúe a medida que se desarrollen nuevas tecnologías.
4. Mayor personalización: Con el uso de LED programables, se puede personalizar la iluminación para adaptarse a las necesidades y preferencias individuales. Esto también puede ayudar a mejorar la eficiencia energética y reducir el desperdicio de energía.
5. Mayor integración con la tecnología inteligente: Los LED se están integrando cada vez más con la tecnología inteligente, lo que permite un mayor control y monitoreo de la iluminación. Esto puede ayudar a mejorar la eficiencia energética y reducir los costos de energía.

Se espera que la tecnología LED continúe mejorando y evolucionando, lo que permitirá una mayor eficiencia energética, duración y versatilidad en su uso.

Comparación con otras tecnologías de iluminación y su futuro en el mercado

Los LED se han convertido en una alternativa popular a otras tecnologías de iluminación debido a su eficiencia energética y larga vida útil. A continuación se presentan algunas comparaciones con otras tecnologías de iluminación y su futuro en el mercado:

Comparación con bombillas incandescentes

• Las bombillas incandescentes son la tecnología de iluminación más antigua y comúnmente utilizada.
• Sin embargo, son muy ineficientes y consumen mucha energía.
• En comparación, los LED son mucho más eficientes y pueden durar hasta 25 veces más.
• Además, los LED no emiten tanto calor como las bombillas incandescentes, lo que significa que no contribuyen tanto al calentamiento global.

Comparación con lámparas fluorescentes

• Las lámparas fluorescentes son una alternativa más eficiente a las bombillas incandescentes.
• Sin embargo, contienen mercurio y otros productos químicos tóxicos que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.
• En comparación, los LED no contienen productos químicos tóxicos y son mucho más eficientes en términos de consumo de energía.

Futuro en el mercado

• Se espera que el mercado de los LED continúe creciendo a medida que se adopte cada vez más esta tecnología.
• Los avances en la tecnología de los LED, como la mejora de la eficiencia energética y la reducción de los costos de producción, están haciendo que los LED sean más atractivos para los consumidores.
• Además, los gobiernos están adoptando regulaciones que requieren que los hogares y las empresas utilicen tecnologías de iluminación más eficientes, lo que aumentará aún más la demanda de los LED en el mercado.

Para finalizar, te dejo un resumen de los puntos más importantes de los LED para que siempre lo tengas en cuenta al diseñar tus circuitos o cuando compres tu próxima lampara LED:

• Los LED son una tecnología de iluminación que ha revolucionado el mercado debido a sus múltiples ventajas en comparación con otras tecnologías de iluminación.
• Los LED tienen una larga vida útil, son más eficientes energéticamente, tienen una mayor calidad de luz y son más resistentes a impactos y vibraciones.
• Además, la producción de LED tiene un menor impacto ambiental y se espera que sigan siendo una tendencia en el futuro.
• A pesar de sus ventajas, los LED también presentan algunas desventajas, como su mayor costo inicial y su posible interferencia con dispositivos electrónicos.
• Es importante tener en cuenta estas ventajas y desventajas al elegir una tecnología de iluminación para un determinado proyecto.
• Los LED son una tecnología prometedora que ha mejorado significativamente la eficiencia y la calidad de la iluminación en diferentes aplicaciones.

Como ves las aplicaciones son muchísimas, por tal razón todo electrónico debe aprender a la perfección el funcionamiento de este semiconductor, por lo que si te gusta este artículo me ayudarías bastante si lo comportes en tus redes sociales, sin mas continuemos.