LEDs o diodos emisores de luz no sólo son fuentes de luz importantes para circuitos electrónicos. Sus características similares a las de un diodo semiconductor permiten la aplicación de estos componentes en varios aparatos. Actualmente el diseñador puede contar con una multitud de tipos de LEDs para sus proyectos. En este artículo vamos a hacer un análisis de su principio de funcionamiento y cómo deben utilizarse correctamente.
Para entender bien funciona un LED debemos comparar esto componente con otra fuente de luz bien común que es la bombilla. Las lámparas incandescentes operan cuando un filamento de metal dispuesto en su interior se calienta pela pasaje de una corriente eléctrica.
Los átomos tienen su grado de agitación cada vez mayores por lo que ocurre la emisión de luz. Para que el metal no se queme con el oxígeno atmosférico, el filamento está encerrado en un bulbo de vidrio dentro de la cual el aire atmosférico está completamente eliminado o sustituido por una mezcla de gases inertes, tal como se muestra en la Figura 1.
Sin embargo, como se muestra en la Figura 2, una lámpara incandescente es como un transmisor de radio fuera de sintonía, produciendo un ruido. Las longitudes de onda de la luz y emite se extienden por todo el espectro.
En función de la tensión aplicada a la lámpara, tenemos el predominio de ciertas longitudes de onda y la luz emitida puede ser de color amarillo, blanco o incluso tendiendo hacia el azul. Por lo tanto, no es una luz pura la emitida por una bombilla común.
El LED
LED significa Light Emmiting Diode o Diodo Emisor de Luz y su principio de funcionamiento se puede entender a partir del análisis de lo que sucede a la estructura de la figura 3 cuando una corriente eléctrica la atraviesa.
En esta estructura tenemos una unión PN, es decir, un diodo semiconductor común que los lectores ya conocen, porque es un componente muy utilizado en nuestros proyectos.
Cuando una corriente pasa a través de la unión el proceso de recombinación de portadores de carga hace que se produzca un estímulo y la emisión se concentra principalmente en el rango infrarrojo.
Una característica importante observada en esta radiación es que, en lugar de su frecuencia a ser al azar, como en el caso de la lámpara incandescente que se propaga el espectro, esta tiene una frecuencia muy bien definida, en función del tipo de material utilizado en el semiconductor, como se muestra en la Figura 4.
Podemos decir que, a diferencia de una bombilla ordinaria, la radiación emitida en este caso está "en sintonía", ya que tiene una sola frecuencia. Para el diodo de silicio ordinario, donde se descubrió el fenómeno, la intensidad de la radiación emitida es muy pequeña y no hay prácticamente ningún uso para él.
Sin embargo, también se encontró que utilizando otros materiales semiconductores y se añadiendo más dopantes especiales podrían emitir luz con una mayor intensidad y en diferentes bandas del espectro.
Los primeros diodos emisores de luz fueron creados de un material llamado arseniuro de galio y arseniuro de galio indio (en FgaAs y GaasI) que emite radiación principalmente en el rango infrarrojo. El siguiente paso fue la creación de materiales capaces de emitir radiación con longitudes de onda más y más pequeña hasta que se caigan en el espectro visible.
Luego vinieron los primeros LEDs capaces de emitir luz en el espectro visible en la región roja. En la figura 5 tenemos un LED común con su estructura interna.
Tenga en cuenta que el color de la luz LED no viene de plástico que la rodea (cubierta). El color de la luz depende del material semiconductor utilizado. Si un LED utiliza plástico de color rojo, es porque este plástico tiene el mismo color de la luz emitida y no es él quien determina esta radiación. LEDs con plástico transparente o blanco pueden emitir luz de diferentes colores.
El siguiente paso fue el desarrollo de LEDs que se han dado color con longitudes de onda cada vez más cortos dentro del espectro visible, como se muestra en la Figura 6.
Ahora es posible obtener los LED capaces de emitir luz azul e incluso violeta y ultravioleta. Una de las principales ventajas de los LED en relación con las lámparas cuando se utilizan como fuentes de luz es su rendimiento.
Un LED común puede tener rendimiento superior al 80%, mientras que hay tipos de alto rendimiento y alto brillo mucho más allá. Una lámpara incandescente común, por otro lado, pierde mucha de la energía aplicada en forma de calor.
Sólo el 20-25% de la energía consumida por una bombilla incandescente es convertida en luz. El resto es calor. Pero no sólo es posible montar un chip emisor de un componente. Podemos establecer dos chips, o incluso más, en el mismo componente y así obtener LEDs de dos colores, como se muestra en la Figura 7.
Dependiendo del chip que se conecta al circuito el LED se enciende con la luz roja o verde. Para producir luz blanca o de otro color es una posibilidad interesante que se basa en el mismo principio de funcionamiento TV color.
Sabemos, a partir de tres colores básicos, rojo (Red R), verde (green-G) y azul (blue - B) podemos conseguir cualquier color con sólo la dosificación de la cantidad en la que cada uno entra en la composición.
Por lo tanto, un color de los puntos de imagen de una televisión están formados por tríadas que son nada más que puntos producidos a partir de las colores RGB, como se muestra en la Figura 8.
Si establecemos en una solo cubierta chips de semiconductores de tres LEDs correspondientes a los colores RGB (rojo, verde y azul), se puede controlar la corriente en cada uno y así generar luz de cualquier color, como se muestra en la Figura 9.
Un panel de LEDs RGB puede generar imágenes en color y ya existe esa aplicación en los televisores digitales. La correcta combinación de los tres colores todavía puede dar lugar a la luz blanca.
Luego están los LEDs blancos sustitución de las bombillas tradicionales con ventajas que van desde pequeñas linternas até otras aplicaciones. El bajo consumo de energía y mayor rendimiento en comparación con un LED bombilla ordinaria hacen estas opciones muy interesantes para esta aplicación.
Características eléctricas
LEDs se comportan como diodos mientras que las lámparas incandescentes representan cargas resistivas no lineales. Podemos comparar las curvas características de tres dispositivos (lámpara, resistencias y LED) a través del gráfico que se muestra en la Figura 10.
La ampliación de las características de los LED de diferentes colores, vemos que el punto en el que comienzan conducción puede variar en función de su color. La figura 11 muestra esto.
Mientras que un diodo de germanio comienza a conducir con 0,2 V y un diodo de silicio con 0,7 V, necesitamos de al menos 1,6 V para empezar a conducir un LED rojo y un LED azul al menos 2,7 V.
En aplicaciones que usan baterías, LEDs con tensiones superiores requieren un circuito especial. Por lo que es habitual para los teléfonos móviles y otras aplicaciones que son alimentados por baterías a partir de 2,7 a 3.3 V, circuitos especiales se utilizan para aumentar la tensión con el fin de excitar los LEDs como se muestra en la Figura 12.
Pero cuando se utiliza un LED no sólo toma en cuenta la tensión que necesita y color de la luz. Hay otros factores que deben considerarse.
Uno es que el LED es similar a un diodo. Cuando el LED comienza a conducir, su resistencia se reduce de manera que, si no hay una resistencia para limitar la corriente esta aumenta pudiendo causar su quema.
Las curvas características muestran este rápido aumento de la corriente con el voltaje desde el punto de conducción. Esto significa que en aplicaciones prácticas, se debe conectar en serie con un resistor limitador, como se muestra en el circuito de la figura 13.
El valor de esto resistor depende da corriente que deseamos para el LED y el voltaje disponible. El cálculo puede hacerse simplemente mediante la siguiente fórmula:
R = (V – Vd)/I
Dónde:
R y la resistencia a ser conectada en serie con el LED (Ω)
V es la tensión de alimentación de CC
Vd es la caída de tensión en el LED propuesta por el cuadro siguiente
I es la corriente en el LED
| Color | Vd |
| Infra-rojo | 1,6 V |
| Rojo | 1,6 V |
| Color naranja | 1,8 V |
| Amarillo | 1,8 V |
| Verde | 2,1 V |
| Azul | 2,7 V |
| Blanco | 2,7 V |
La disipación de potencia de la resistencia viene dada por:
P = R x I2
Dónde:
P es la potencia disipada en watts
R es la resistencia en serie en ohm Ω
I es la intensidad de la corriente en amperes
Como podemos ver en las curvas características, la tensión de ruptura inversa de un LED es relativamente baja, alrededor de 5 V para los tipos comunes.
Esto significa que debemos tener cuidado de que más de 5 V a la inversa no aparece en un LED cuando se alimenta con corriente alterna. Esto se puede evitar mediante el uso de un diodo en paralelo, como se muestra en la Figura 14.
Podemos alimentar varios LEDs en serie a partir de una sola fuente con una sola resistencia. Se recomienda para conectar los LEDs en paralelo como se muestra en la Figura 15.
Con esta conexión la corriente no se distribuye por igual entre los LED, ya que siempre tienen pequeñas diferencias en las características. Esto hace que un LED brille siempre más que el otro. Una forma para alimentar múltiples LEDs es con el circuito mostrado en la Figura 16 donde la alimentación es en serie.
El cálculo de la resistencia R para ser conectado en serie, se realiza utilizando la siguiente fórmula:
R = (V – nVd)/I (Para V > nVd + 2 V)
Donde R es el valor de la resistencia en Ω
V es la tensión de alimentación en volts
n es el número de LED conectado
Vd es la caída de voltaje a través de cada LED de acuerdo con la tabla que anteriormente (en voltios)
I es la intensidad de la corriente que deseamos los LEDs.
Ver que NVD es decir, la caída de tensión total en los LEDs debe ser al menos 2 V por debajo de la tensión de entrada. Otra manera de alimentar los LEDs es de manera eficiente con el uso de una fuente de corriente constante, como se muestra en la Figura 17.
Esta corriente de la fuente de LED se mantiene constante independientemente de las variaciones de voltaje de entrada. La resistencia Rx se calcula por la siguiente fórmula:
R = 1,25/I
Dónde:
R es el valor de la resistencia en Ω
I es la intensidad de la corriente en amperes
El voltaje de entrada en este circuito debe ser al menos 2 V más alta que la caída de voltaje a través de los LEDs que están alimentados.
Como elementos activos los LEDs pueden servir como referencias de tensión, como en el fuente de corriente constante como se muestra en la Fig. 18.
Por último, para alimentar LEDs blancos de alto rendimiento con una fuente de baja tensión se puede utilizar circuitos integrados específicos como se muestra en la Figura 19.
Este circuito se compone de un duplicador de tensión que eleva la tensión de entrada del circuito a un valor que es más apropiado para la excitación de los LEDs.
Conclusión
Los LEDs están presentes en multitud de aplicaciones y sus características eléctricas requieren un cuidado especial cuando la alimentación. LED utilizados correctamente cuentan con un alto rendimiento y una vida útil extremadamente larga que los hace ideales como un sustituto de las bombillas tradicionales.