Los diodos emisores de luz visible son utilizados en grandes cantidades como indicadores piloto, dispositivos de presentación numérica y dispositivos de presentación de barras, tanto para aplicaciones domésticas como para equipos industriales, esto es debido a sus grandes ventajas que son: peso y espacio insignificantes, precio moderado, y en cierta medida una pequeña inercia, que permite visualizar no solamente dos estados lógicos sino también fenómenos cuyas características varían progresivamente.
Sus siglas provienen del Ingles (Light Emitting Diode) : Led.
Como otros dispositivos de presentación, los Leds pueden proporcionar
luz en color rojo, verde y azul. El material de un Led está compuesto
principalmente por una combinación semiconductora.
El GaP se utiliza en los Leds emisores de luz roja o verde; el GaAsP
para los emisores de luz roja, anaranjada o amarilla y el GaAlAs para los
Leds de luz roja. Para los emisores azules se han estado usando materiales
como SiC, GaN, ZnSe y ZnS.
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GaAs : Zn |
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Infrarrojo |
GaAsP.4 |
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Rojo |
GaAsP.5 |
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Ambar |
GaAsP.85 : N |
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Amarillo |
GaP : N |
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Verde |
Tabla 1. Longitudes de onda de algunos
compuestos de Galio
A diferencia de la lámparas de incandescencia cuyo funcionamiento
es por una determinada tensión, los Led funcionan por la corriente
que los atraviesa. Su conexión a una fuente de tensión constante
debe estar protegida por una resistencia limitadora, veremos más
adelante algunos ejemplos.
En los aislantes la banda inferior menos energética (banda de
valencia) está completa con los e- más internos de los átomos,
pero la superior (banda de conducción) está vacía
y separada por una banda prohibida muy ancha (~ 10 eV), imposible de atravesar
por un e-. En el caso de los conductores las bandas de conducción
y de valencia se encuentran superpuestas, por lo que cualquier aporte de
energía es suficiente para producir un desplazamiento de los electrones.
Entre ambos casos se encuentran los semiconductores, cuya estructura
de bandas es muy semejante a los aislantes, pero con la diferencia de que
la anchura de la banda prohibida es bastante pequeña. Los semiconductores
son, por lo tanto, aislantes en condiciones normales, pero una elevación
de temperatura proporciona la suficiente energía a los electrones
para que, saltando la banda prohibida, pasen a la de conducción,
dejando en la banda de valencia el hueco correspondiente. (figura
2)
En el caso de los diodos Led los electrones consiguen saltar fuera de
la estructura en forma de radiación que percibimos como luz (fotones).
El constituido por GaAsP consiste en una capa p obtenida por difusión
de Zn durante el crecimiento de un cristal n de GaAsP, formado en un substrato
de GaAs, por el método de crecimiento epitaxial en fase gaseosa.
Actualmente se emplea los Led de GaAlAs debido a su mayor luminosidad.
El máximo de radiación se halla en la longitud de onda
660 nm. (figura 3)
1. Dimensiones y color
del diodo
Actualmente los Leds tienen diferentes tamaños, formas y colores.
Tenemos Leds redondos, cuadrados, rectangulares, triangulares y con diversas
formas.
Los colores básicos son rojo, verde y azul, aunque podemos encontrarlos
naranjas, amarillos incluso hay un Led de luz blanca.
Las dimensiones en los Led redondos son 3mm, 5mm, 10mm y uno gigante
de 20mm. Los de formas poliédricas suelen tener unas dimensiones
aproximadas de 5x5mm.
2. Ángulo de vista
Esta característica es importante, pues de ella depende el modo
de observación del Led, es decir, el empleo práctico de aparato
realizado.
Cuando el Led es puntual la emisión de luz sigue la ley de Lambert,
permite tener un ángulo de vista relativamente grande y el punto
luminoso se ve bajo todos los ángulos. (figura
4)
3. Luninosidad
La intensidad luminosa en el eje y el brillo están intensamente
relacionados. Tanto si el Led es puntual o difusor, el brillo es proporcional
a la superficie de emisión.
Si el Led es puntual, el punto será más brillante, al
ser una superficie demasiado pequeña. En uno difusor la intensidad
en el eje es superior al modelo puntual.
4. Consumo
El consumo depende mucho del tipo de Led que elijamos:
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Rojo |
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Verde, amarillo y naranja |
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Rojo (alta luminosidad) |
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Verde (alta luminosidad) |
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Hiper Rojo |
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Hiper Rojo |
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Hiper Verde |
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Azul difuso |
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Rojo y verde |
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Tabla 2. Características de los Leds.
Los Led están formados por el material
semiconductor que está envuelto en un plástico traslúcido
o transparente según los modelos. En la figura podemos observar
la distribución interna.
El electrodo interno de menor tamaño es el ánodo y el
de mayor tamaño es el cátodo
Los primeros Leds se diseñaron para permitir el paso de la máxima
cantidad de luz en dirección perpendicular a la superficie de montaje,
más tarde se diseñaron para difundir la luz sobre un área
más amplia gracias al aumento de la producción de luz por
los Leds. (figura 5)
Si la corriente aplicada es suficiente para que
entre en conducción el diodo emitirá una cierta cantidad
de luz que dependerá de la cantidad de corriente y la temperatura
del Led.
La luminosidad aumentará según aumentemos la intensidad pero habrá que tener en cuenta la máxima intensidad que soporta el Led.
Antes de insertar un diodo en un montaje tendremos que tener el color
del diodo para saber la caída de tensión parámetro
necesario para los cálculos posteriores:
Color | Caída de tensión
( VLED ) V |
Intensidad máxima
( ILED ) mA |
Intensidad media
( ILED )mA |
Rojo |
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Verde |
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Amarillo |
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Naranja |
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Tabla 3. Caída de tensión e intensidad.
La resistencia de limitación de la figura
6 puede calcularse a partir de la fórmula:
V - Vled
R = ------------
I
Si expresamos V en voltios e I en miliamperios el valor de la resistencia
vendrá directamente expresado en kiloohmios.
También hay que tener en cuenta el calor disipado por en la
resistencia, se calcula por la Ley de Joule. (figura
6)
Donde I es la intensidad que atravesará al diodo y R
la resistencia calculada en el apartado anterior.
V - NVled
R = ---------------
I
Para conectar varios Leds en paralelo solo
tendremos que calcular el valor para un Leds y luego los ponemos como en
la (figura 8).
En este caso habrá que tener cuidado con la intensidad de la
fuente de alimentación que deberá ser superior a la suma
de todos los Leds.
Ejemplo
Supongamos que la tensión de alimentación es de 12 voltios
y vamos a utilizar un diodo Led de color rojo por el que circulará
una corriente de 5 mA.
La resistencia limitadora será:
Utilizaremos un resistencia normalizada (ver lista normalizada) de valor
2K2, con esta resistencia la intensidad real que circulará es de
4,86 mA. Valor lo más próximo al teórico.
El cálculo de la potencia lo vamos a realizar con la Ley de
joule con lo que resultado queda P = 0.055 W, es decir, 55 mW; por tanto,
basta con utilizar una resistencia de ¼ de vatio (250 mW)
de 2K2 en serie con el diodo Led.
Si queremos conectar un Led a un circuito en
alterna tendremos que tener en cuenta que en la corriente alterna existen
tensiones positivas y negativas que se van alternado en una duración
que será la mitad de la frecuencia, este punto es importante debido
a que los diodo tienen una tensión de funcionamiento en polarización
directa y otra en la inversa y podremos sobrepasarla para no destruir la
unión semiconductora.
Para ello tenemos dos opciones:
1ª Solución
Consiste en colocar un diodo en oposición
al Led, de forma que cuando no conduzca el Led conduzca el diodo, y ala
inversa, lo que supone una caída de tensión de 0,7 voltios
en el diodo, no superando los 3 voltios de ruptura del Led.
Con esto evitamos la destrucción cuando está polarizado
inversamente pero tendremos que limitar la tensión y eso lo podremos
conseguir con una resistencia en serie que calcularemos con la fórmula
que utilizamos en el apartado Circuito básico
en continua.
La potencia podremos calcularla con la Ley de Joule
(figura 9)
Vamos a calcular un pequeño ejemplo práctico:
Sea un diodo Led con una caída de tensión de 1,2 voltios
y un intensidad máxima de 20 mA, que se desea conectar a una tensión
alterna de 220 voltios.
220 - Vdl1
220 - 1,2
R= -----------------
R = -------------- » 22 KW
Idl1
10
La potencia de
R1 = VR1 x Il1 = (220 -1,2) x 10 » 3W
Un inconveniente de esta solución es que la resistencia será
muy voluminosa al tener una potencia considerable.
2ª Solución
Para evitar poner un resistencia de 3W podremos colocar
un condensador que se comportará como un resistencia al estar frente
a una tensión alterna.
Al igual que en el circuito anterior tendremos que limitar la intensidad
del circuito, como ejemplo vamos a utilizar los datos anteriores.
En este caso Rs nos sirve para limitar la intensidad cuando el condensador
está descargado ya que se produciría un pico considerable
que no soportaría el Led, como valor máximo de pico que puede
soportar el Led tenemos:
Ipico = 220 / 1 » 220 mA.
Por tanto el valor de la resistencia será:
220 V
RS = ------------ = 1 K
VRS = 1K x 10 mA = 10V
220 mA
RS = 1KW - 1/4 W
Para calcular el valor del condensador se tendrá en cuenta que la tensión en el condensador está desfasada 90º con respecto a la tensión en la resistencias y en el diodo así que aplicando Pitágoras (ver la figura) tendremos que:
VC = ( 2202 - (VR + VLED)2 )1/2 = ( 2202 - (11,2)2 )1/2» 219,7 V
Siendo la intensidad del condensador Ic = 10 mA.
La resistencia capacitiva será:
Tomando un valor normalizado Xc = 22 KW
219,7 V
XC = --------------- = 21,9 KW
10 mA
La capacidad del condensador será:
1
1
C = ---------------- = ----------------------- » 150 nF
2Pf x XC
100P x 22.103
Podemos ver que con esta solución reducimos el valor de la resistencia
sustituyéndola por un condensador de 150 nF que tenga una tensión
de trabajo de 400V al ser los 220 eficaces.
Como ventajas tenemos que no es tan voluminoso y al haber sustituido
la resistencia de 3W no tendremos una disipación de calor tan grande.(figura 10)