¿Qué es un Led? Aprende el funcionamiento del diodo LED

Juan Carlos G 2020-02-06
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¿Qué es un Led? Aprende el funcionamiento del diodo LED


LEDs

Hoy te quiero platicarte sobre este mítico componente, aprenderás ¿Qué es un LED? y sus principales funciones, como esta conformado y algunos tipos importantes que debes conocer, recuerda que este post forma parte de nuestros tutoriales de electrónica básica y que si te gustan no olvides en compartir 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.

 

¿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.

 

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:

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.

 

¿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:

 

Espectro de frecuencia y longitud de onda

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:

 

Brecha de energía o banda prohibida

 

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.

 

Partes que conforman un Led

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

 

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.

 

Conexión de un LED
Conexión de un 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 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:

 

calcular resistencia led

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:

 

formula de la resistencia de un led con VD

 

Al sustituir cada valor tenemos:

Resultado, valor de la resistencia encontrado

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:

 

formula de potencia

Si sustituimos los valores tenemos lo siguiente:

resultado de la potencia de un led

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.

 

Tipos de diodos LED

Existe una gran variedad de tipos de diodos 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.

 

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

 

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.

 

 

 



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Juan Carlos G

Electrónica y diseño web


Cree este blog para compartir uno de los temas que más me apasionan que es la electrónica, por lo tanto, además de tutoriales de electrónica, encontrarás en algunas páginas recomendaciones de productos relacionados a los LED principalmente.

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