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.
| GaAs : Zn | Infrarrojo | |
| GaAsP.4 | Rojo | |
| GaAsP.5 | Ambar | |
| GaAsP.85 : N | Amarillo | |
| GaP : N | Verde |
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:
| Rojo | ||||
| Verde, amarillo Naranja | ||||
| Rojo (alta luminosidad) | ||||
| Verde (alta luminosidad) | ||||
| Hiper Rojo | ||||
| Hiper Rojo | ||||
| Hiper Verde | ||||
| Azul difuso | ||||
| Rojo y Verde |
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 | |||
| Verde | |||
| Amarillo | |||
| Naranja |
La resistencia de limitación de la
figura 6 puede calcularse a partir de la fórmula:
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.
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
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:
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)
