Diodos emisores de luz

Los diodos emisores de luz o simplemente LED, se encuentran entre los más utilizados de todos los diferentes tipos de diodos semiconductores disponibles en la actualidad y se utilizan comúnmente en televisores y pantallas a color.

Son el tipo de diodo más visible, que emiten un ancho de banda bastante estrecho de luz visible en diferentes longitudes de onda de colores, luz infrarroja invisible para controles remotos o luz de tipo láser cuando pasa una corriente directa a través de ellos.

El «diodo emisor de luz» o LED, como se le llama más comúnmente, es básicamente un tipo de diodo especializado, ya que tienen características eléctricas muy similares a un diodo de unión PN. Esto significa que un LED pasará corriente en su dirección de avance pero bloqueará el flujo de corriente en la dirección inversa.

Los diodos emisores de luz están hechos de una capa muy delgada de material semiconductor bastante dopado y, dependiendo del material semiconductor utilizado y la cantidad de dopaje, cuando se polariza hacia adelante, un LED emitirá una luz de color en una longitud de onda espectral particular.

Cuando el diodo tiene polarización directa, los electrones de la banda de conducción de los semiconductores se recombinan con los huecos de la banda de valencia y liberan suficiente energía para producir fotones que emiten una luz monocromática (de un solo color). Debido a esta capa delgada, un número razonable de estos fotones puede salir de la unión e irradiar produciendo una salida de luz de color.

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Construcción de LED

Entonces podemos decir que cuando se operan en una dirección polarizada hacia adelante, los diodos emisores de luz son dispositivos semiconductores que convierten la energía eléctrica en energía luminosa.

La construcción de un diodo emisor de luz es muy diferente a la de un diodo de señal normal. La unión PN de un LED está rodeada por una carcasa o cuerpo de resina epoxi de plástico duro transparente con forma semiesférica que protege al LED de vibraciones y golpes.

Sorprendentemente, una unión LED en realidad no emite tanta luz, por lo que el cuerpo de resina epoxi está construido de tal manera que los fotones de luz emitidos por la unión se reflejan lejos de la base del sustrato circundante a la que está unido el diodo y se enfocan hacia arriba a través de la parte superior abovedada del LED, que a su vez actúa como una lente que concentra la cantidad de luz. Es por eso que la luz emitida parece ser más brillante en la parte superior del LED.

Sin embargo, no todos los LED están fabricados con una cúpula de forma hemisférica para su carcasa de epoxi. Algunos LED de indicación tienen una construcción de forma rectangular o cilíndrica que tiene una superficie plana en la parte superior o su cuerpo tiene forma de barra o flecha. Generalmente, todos los LED se fabrican con dos patas que sobresalen de la parte inferior del cuerpo.

Además, casi todos los diodos emisores de luz modernos tienen su cátodo, ( – ) terminal identificado por una muesca o un punto plano en el cuerpo o porque el cable del cátodo es más corto que el otro, ya que el del ánodo ( + ) es más largo que el cátodo ( k).

A diferencia de las lámparas y bombillas incandescentes normales que generan grandes cantidades de calor cuando se iluminan, el diodo emisor de luz produce una generación de luz «fría» que conduce a una mayor eficiencia que la «bombilla de luz» normal porque la mayor parte de la energía generada se irradia dentro del visible espectro. Debido a que los LED son dispositivos de estado sólido, pueden ser extremadamente pequeños y duraderos y proporcionar una vida útil de la lámpara mucho más larga que las fuentes de luz normales.

Colores de los diodos emisores de luz

Entonces, ¿cómo adquiere su color un diodo emisor de luz? A diferencia de los diodos de señal normales que están hechos para detección o rectificación de potencia, y que están hechos de materiales semiconductores de germanio o silicio, los diodos emisores de luz están hechos de compuestos semiconductores exóticos como arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de galio (GaP), el fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP), el carburo de silicio (SiC) o el nitruro de galio e indio (GaInN) se mezclan en diferentes proporciones para producir una longitud de onda de color distinta.

Los diferentes compuestos LED emiten luz en regiones específicas del espectro de luz visible y, por lo tanto, producen diferentes niveles de intensidad. La elección exacta del material semiconductor utilizado determinará la longitud de onda total de las emisiones de luz de fotones y, por lo tanto, el color resultante de la luz emitida.

Colores del diodo emisor de luz

Características típicas del LED
Material SemiconductorLongitud de ondaColorVF @ 20mA
GaAs850-940nmInfrarrojos1.2v
GaAsP630-660nmRojo1.8v
GaAsP605-620nmÁmbar2.0v
GaAsP: N585-595nmAmarillo2.2v
AlGaP550- 570nmVerde3.5v
SiC430-505nmAzul3.6v
GANANCIA450nmBlanco4.0v

Por lo tanto, el color real de un diodo emisor de luz está determinado por la longitud de onda de la luz emitida, que a su vez está determinada por el compuesto semiconductor real utilizado para formar unión PN durante la fabricación.

Por lo tanto, el color de la luz emitida por un LED NO está determinado por el color del cuerpo de plástico del LED, aunque estos están ligeramente coloreados tanto para mejorar la salida de luz como para indicar su color cuando no está iluminado por un suministro eléctrico.

Los diodos emisores de luz están disponibles en una amplia gama de colores, siendo los más comunes ROJO, ÁMBAR,  AMARILLO  y VERDE, por lo tanto, se utilizan ampliamente como indicadores visuales y como pantallas de luz en movimiento.

También se encuentran disponibles LED de color azul y blanco desarrollados recientemente, pero estos tienden a ser mucho más caros que los colores estándar normales debido a los costos de producción de mezclar dos o más colores complementarios en una proporción exacta dentro del compuesto semiconductor y también mediante la inyección de átomos de nitrógeno en la estructura cristalina durante el proceso de dopaje.

En la tabla anterior podemos ver que el principal dopante de tipo P utilizado en la fabricación de diodos emisores de luz es el galio (Ga, número atómico 31) y que el principal dopante de tipo N utilizado es el arsénico (As, número atómico 33), lo que da el compuesto resultante de estructura cristalina de arseniuro de galio (GaAs).

El problema de usar arseniuro de galio por sí solo como compuesto semiconductor es que irradia grandes cantidades de radiación infrarroja de bajo brillo (850 nm-940 nm aprox.) Desde su unión cuando una corriente directa fluye a través de él.

La cantidad de luz infrarroja que produce está bien para los mandos a distancia de los televisores, pero no es muy útil si queremos utilizar el LED como luz indicadora. Pero al agregar fósforo (P, número atómico 15), como tercer dopante, la longitud de onda total de la radiación emitida se reduce a menos de 680 nm, lo que da luz roja visible al ojo humano. Los refinamientos adicionales en el proceso de dopaje de la unión PN han dado como resultado una gama de colores que abarca el espectro de la luz visible como hemos visto anteriormente, así como longitudes de onda infrarroja y ultravioleta.

Mezclando una variedad de compuestos semiconductores, metálicos y gaseosos, se puede producir la siguiente lista de LED.

Tipos de diodos emisores de luz

  • de arseniuro de galio (GaAs) – infrarrojo
  • de arseniuro de galio fosfuro (GaAsP) – Red de infra-rojo, naranja
  • arseniuro de galio-aluminio fosfuro (AlGaAsP) – de alto brillo de color rojo, naranja-rojo, naranja yamarillo
  • galioFosfuro (GaP) – rojo, amarillo y verde
  • Aluminio Fosfuro de galio (AlGaP) – verde
  • Nitruro de galio (GaN) – verde, verde esmeralda
  • Nitruro de galio e indio (GaInN) – casi ultravioleta, verde azulado y azul
  • Carburo de silicio (SiC) – azul como sustrato
  • Selenuro de zinc (ZnSe) – azul
  • Aluminio Galio Nitruro (AlGaN) – ultravioleta

Al igual que los diodos de unión PN convencionales, los diodos emisores de luz son dispositivos dependientes de la corriente con su caída de voltaje directa VF, dependiendo del compuesto semiconductor (su color de luz) y en la corriente LED polarizada hacia adelante. Los LED más comunes requieren un voltaje de funcionamiento directo de aproximadamente 1,2 a 3,6 voltios con una clasificación de corriente directa de aproximadamente 10 a 30 mA, siendo de 12 a 20 mA el rango más común.

Tanto el voltaje de funcionamiento directo como la corriente directa varían según el material semiconductor utilizado, pero el punto donde comienza la conducción y se produce la luz es de aproximadamente 1,2 V para un LED rojo estándar a aproximadamente 3,6 V para un LED azul.

La caída de voltaje exacta dependerá, por supuesto, del fabricante debido a los diferentes materiales dopantes y longitudes de onda utilizados. La caída de voltaje a través del LED a un valor de corriente particular, por ejemplo 20 mA, también dependerá de la conducción inicial VF del punto. Como un LED es efectivamente un diodo, sus curvas características de corriente directa a voltaje se pueden trazar para cada color de diodo como se muestra a continuación:

Características de los diodos emisores de luz IV.

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Diodo emisor de luz (LED) Símbolo esquemático y características de curvas IV que muestran los diferentes colores disponibles.

Antes de que un diodo emisor de luz pueda «emitir» cualquier forma de luz, necesita una corriente que fluya a través de él, ya que es un dispositivo dependiente de la corriente y su intensidad de salida de luz es directamente proporcional a la corriente directa que fluye a través del LED.

Como el LED debe conectarse en una condición de polarización directa a través de una fuente de alimentación, debe tener una corriente limitada utilizando una resistencia en serie para protegerlo del flujo de corriente excesivo. Nunca conecte un LED directamente a una batería o fuente de alimentación, ya que se destruirá casi instantáneamente porque pasará demasiada corriente y lo quemará.

En la tabla anterior, podemos ver que cada LED tiene su propia caída de voltaje directo a través de la unión PN y este parámetro, que está determinado por el material semiconductor utilizado, es la caída de voltaje directo para una cantidad específica de corriente de conducción directa, normalmente para un directo. corriente de 20mA.

En la mayoría de los casos, los LED funcionan con una fuente de CC de bajo voltaje, con una resistencia en serie, RS se usa para limitar la corriente directa a un valor seguro de, por ejemplo, 5 mA para un indicador LED simple a 30 mA o más cuando se necesita una salida de luz de alto brillo .

Resistencia de LED en serie

El valor de la resistencia en serie RS se calcula simplemente usando la Ley de Ohm, conociendo la corriente directa requerida (IF) del LED, la tensión de alimentación VS a través de la combinación y la caída de tensión directa esperada del LED VF, en el nivel de corriente requerido, la resistencia limitadora de corriente se calcula como:

Circuito LED del resistor en serie 

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Ejemplo del diodo emisor de luz No.1

Un LED de color ámbar con una caída de voltaje directo de 2 voltios debe conectarse a una fuente de alimentación de CC estabilizada de 5.0v. Usando el circuito anterior, calcule el valor de la resistencia en serie requerida para limitar la corriente directa a menos de 10 mA. También calcule la corriente que fluye a través del diodo si se usa una resistencia en serie de 100 Ω en lugar de la calculada primero.

1). Se requiere resistencia en serie a 10 mA.

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2). con una resistencia en serie de 100 Ω.

led current

Recordamos de los tutoriales de Resistores, que los resistores vienen en valores estándar preferidos. Nuestro primer cálculo anterior muestra que para limitar la corriente que fluye a través del LED a 10 mA exactamente, necesitaríamos una resistencia de  300 Ω. En la E12 serie de resistencias no hay una resistencia de 300 Ω, por lo que tendríamos que elegir el siguiente valor más alto, que es 330 Ω. Un nuevo cálculo rápido muestra que el nuevo valor de corriente directa ahora es de 9,1 mA, y esto está bien.

Conexión de LED juntos en serie

Podemos conectar LED juntos en serie para aumentar el número requerido o para aumentar el nivel de luz cuando se utilizan en pantallas. Al igual que con las resistencias en serie, los LED conectados en serie tienen la misma corriente directa, IF fluye a través de ellos como solo uno. Como todos los LED conectados en serie pasan la misma corriente, generalmente es mejor si todos son del mismo color o tipo.

Conexión de LED en serie

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Aunque la cadena serie LED tiene la misma corriente que fluye a través de él, la caída de tensión en serie a través de ellos necesita ser considerado en el cálculo de la resistencia requerida de la resistencia de limitación de corriente, RS. Si asumimos que cada LED tiene una caída de voltaje cuando se ilumina de 1.2 voltios, entonces la caída de voltaje en los tres será 3 x 1.2v = 3.6 voltios.

Si también asumimos que los tres LED deben iluminarse desde el mismo dispositivo lógico de 5 voltios o suministrarse con una corriente directa de aproximadamente 10 mA, lo mismo que el anterior. Luego, la caída de voltaje a través de la resistencia, RS y su valor de resistencia se calcularán como:

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Nuevamente, en la E12 serie de resistencias (tolerancia del 10%) no hay una resistencia de 140Ω, por lo que tendríamos que elegir el siguiente valor más alto, que es 150Ω.

Circuitos de controlador del LED

Ahora que sabemos qué es un LED, necesitamos alguna forma de controlarlo encendiéndolo y apagándolo. Las etapas de salida de las puertas lógicas TTL y CMOS pueden generar y absorber cantidades útiles de corriente, por lo que se pueden utilizar para activar un LED. Los circuitos integrados normales (IC) tienen una corriente de salida de hasta 50 mA en la configuración del modo de sumidero, pero tienen una corriente de salida limitada internamente de aproximadamente 30 mA en la configuración del modo de fuente.

De cualquier manera, la corriente del LED debe limitarse a un valor seguro utilizando una resistencia en serie como ya hemos visto. A continuación se muestran algunos ejemplos de diodos emisores de luz de conducción que utilizan circuitos integrados inversores, pero la idea es la misma para cualquier tipo de salida de circuito integrado, ya sea combinacional o secuencial.

Circuito del controlador de IC

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Si más de un LED requiere la conducción al mismo tiempo, como en matrices de LED grandes, o la corriente de carga es demasiado alta para el circuito integrado o simplemente queremos usar componentes discretos en lugar de IC, entonces una forma alternativa de la activación de los LED utilizando transistores bipolares NPN o PNP como interruptores se indica a continuación. De nuevo, como antes, una resistencia en serie, RS se requiere para limitar la corriente del LED.

Circuito del controlador del transistor

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El brillo de un diodo emisor de luz no se puede controlar simplemente variando la corriente que fluye a través de él. Permitir que fluya más corriente a través del LED hará que brille más, pero también hará que disipe más calor. Los LED están diseñados para producir una cantidad determinada de luz que funciona a una corriente directa específica que varía de aproximadamente 10 a 20 mA.

En situaciones en las que el ahorro de energía es importante, es posible que haya menos corriente. Sin embargo, reducir la corriente por debajo de, digamos, 5 mA puede atenuar demasiado su salida de luz o incluso apagar el LED por completo. Una forma mucho mejor de controlar el brillo de los LED es utilizar un proceso de control conocido como «Modulación de ancho de pulso» o PWM, en el que el LED se enciende y apaga repetidamente a diferentes frecuencias dependiendo de la intensidad de luz requerida del LED.

Intensidad de luz LED usando PWM

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Cuando se requieren salidas de luz más altas, una corriente modulada por ancho de pulso con un ciclo de trabajo bastante corto (relación «ON-OFF») permite que la corriente del diodo y, por lo tanto, la intensidad de la luz de salida aumente significativamente durante los pulsos reales, mientras mantiene los LED «nivel de corriente promedio» y la disipación de energía dentro de límites seguros.

Esta condición de «ENCENDIDO-APAGADO» no afecta lo que ve el ojo humano, ya que «llena» los espacios entre los pulsos de luz «ENCENDIDO» y «APAGADO», siempre que la frecuencia del pulso sea lo suficientemente alta, lo que hace que parezca como una salida de luz continua. Entonces, los pulsos a una frecuencia de 100 Hz o más en realidad parecen más brillantes a la vista que una luz continua de la misma intensidad promedio.

Los diodos emisores de luz multicolores

Los LEDs están disponibles en una amplia gama de formas, colores y varios tamaños con diferentes intensidades de salida de luz disponibles, siendo el más común (y el más barato de producir) el LED estándar de fosfuro de arseniuro de galio rojo (GaAsP) de 5 mm.

Los LED también están disponibles en varios «paquetes» dispuestos para producir tanto letras como números, siendo el más común el de la disposición de «pantalla de siete segmentos».

Hoy en día, se encuentran disponibles pantallas LED de pantalla plana a todo color, dispositivos portátiles y televisores que utilizan una gran cantidad de LED multicolores, todos impulsados ​​directamente por su propio IC dedicado.

La mayoría de los diodos emisores de luz producen una sola salida de luz de color; sin embargo, ahora hay disponibles LED multicolores que pueden producir una gama de colores diferentes desde un solo dispositivo. La mayoría de estos son en realidad dos o tres LED fabricados en un solo paquete.

Diodos emisores de luz bicolor

Un diodo emisor de luz bicolor tiene dos chips LED conectados entre sí en “paralelo inverso” (uno hacia adelante, otro hacia atrás) combinados en un solo paquete. Los LED bicolores pueden producir cualquiera de los tres colores, por ejemplo, se emite un color rojo cuando el dispositivo está conectado con la corriente que fluye en una dirección y se emite un color verde cuando está polarizado en la otra dirección.

Este tipo de disposición bidireccional es útil para dar indicación de polaridad, por ejemplo, la conexión correcta de baterías o fuentes de alimentación, etc. Además, una corriente bidireccional produce ambos colores mezclados, ya que los dos LED se turnarían para iluminar si el dispositivo estaba conectado (a través de una resistencia adecuada) a una fuente de CA de baja tensión y baja frecuencia.

Un Bi-color del LED

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Diodo emisor de luz tricolor

El tipo más popular de la luz tricolor del diodo emisor consta de un solo rojo y un LED verde combinado en un paquete con sus terminales de cátodo conectados entre sí produciendo un dispositivo de tres terminales. Se denominan LED tricolores porque pueden emitir un solo color rojo o verde encendiendo sólo un LED a la vez.

Estos LED tricolores también pueden generar tonos adicionales de sus colores primarios (el tercer color) como el naranja o el amarillo al encender los dos LED en diferentes proporciones de corriente directa como se muestra en la tabla, lo que genera cuatro colores diferentes a partir de solo dos diodos empalmes.

Un LED multicolor o tricolor

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Pantallas LED

Además de colores individuales o multicolores, se pueden combinar varios diodos emisores de luz dentro de un solo paquete para producir pantallas como gráficos de barras, tiras, matrices y pantallas de siete segmentos.

Una pantalla LED de 7 segmentos proporciona una forma muy conveniente cuando se decodifica correctamente de mostrar información o datos digitales en forma de números, letras o incluso caracteres alfanuméricos y, como su nombre indica, constan de siete LED individuales (los segmentos), dentro de un solo paquete de pantalla.

Para producir los números o caracteres requeridos del 0 al 9 y de la A a la F respectivamente, en la pantalla se debe iluminar la combinación correcta de segmentos de LED. Una pantalla LED estándar de siete segmentos generalmente tiene ocho conexiones de entrada, una para cada segmento LED y otra que actúa como un terminal o conexión común para todos los segmentos internos.

  • La pantalla de cátodo común (CCD) : en la pantalla de cátodo común, todas las conexiones de cátodo de los LED se unen y los segmentos individuales se iluminan mediante la aplicación de una señal ALTA, lógica «1».
  • La pantalla de ánodo común (CAD) : en la pantalla de ánodo común, todas las conexiones de ánodo de los LED se unen y los segmentos individuales se iluminan conectando los terminales a una señal de «0» lógica BAJA.

Una pantalla típica de siete segmentos LED

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Opto-acoplador

Finalmente, otra aplicación útil de los diodos emisores de luz es el Opto-acoplamiento. Un optoacoplador u optoaislador, como también se le llama, es un dispositivo electrónico único que consta de un diodo emisor de luz combinado con un fotodiodo, fototransistor o fototriac para proporcionar una ruta de señal óptica entre una entrada conexión y una conexión de salida mientras se mantiene el aislamiento eléctrico entre dos circuitos.

Un optoaislador consiste en un cuerpo de plástico a prueba de luz que tiene un voltaje de ruptura típico entre el circuito de entrada (fotodiodo) y el circuito de salida (fototransistor) de hasta 5000 voltios. Este aislamiento eléctrico es especialmente útil cuando se requiere la señal de un circuito de bajo voltaje, como un circuito alimentado por batería, computadora o microcontrolador, para operar o controlar otro circuito externo que opera a un voltaje de red potencialmente peligroso.

Fotodiodos y fototransistores, optoacopladores

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Los dos componentes utilizados en un optoaislador, un transmisor óptico como un LED de arseniuro de galio que emite infrarrojos y un receptor óptico como un fototransistor están estrechamente acoplados ópticamente y utilizan luz para enviar señales y / o información entre su entrada y salida. Esto permite que la información se transfiera entre circuitos sin una conexión eléctrica o potencial de tierra común.

Los optoaisladores son dispositivos digitales o de conmutación, por lo que transfieren señales de control «ON-OFF» o datos digitales. Las señales analógicas se pueden transferir mediante modulación de frecuencia o de ancho de pulso.

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