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LED

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LEDs.

Un LED, siglas en Inglés de Light-Emitting Diode (Diodo emisor de luz) es un dispositivo Semiconductor (Diodo) que emite luz cuasi-monocromática, es decir, con un espectro muy angosto, cuando se polariza de forma directa y es atravesado por una Corriente eléctrica‏‎. El Color, (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode).

El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta energía se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria.

A (p) Diodos LED Simbolo.png C ó K (n)
Representación simbólica del diodo LED

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo [1].

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el Voltaje‏‎ de operación va desde 1,5 hasta 2,2 Voltio‏‎s aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs.

El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

Tecnología LED/OLED

En corriente continua (CC), todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o Germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los LED e IRED, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.

Diodos LED foto.png
Compuestos empleados en la construcción de LED.
Compuesto Color Long. de onda
Arseniuro de Galio (GaAs) Infrarrojo 940 nm
Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) Rojo e infrarrojo 890 nm
Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) Rojo, naranja y amarillo 630 nm
Fosfuro de galio (GaP) Verde 555 nm
Nitruro de galio (GaN) Verde 525 nm
Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul
Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul 450 nm
Carburo de silicio (SiC) Azul 480 nm
diamante (C) Ultravioleta
silicio (Si) En desarrollo

Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por Fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes.

Tanto los diodos azules como los ultravioletas son caros respecto de los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.

Los LEDs comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor (ver convección) generado por Efecto Joule.

Hoy en día, se están desarrollando y empezando a comercializar LEDs con prestaciones muy superiores a las de unos años atrás y con un futuro prometedor en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminación. Como ejemplo, se puede destacar que Nichia Corporation ha desarrollado LEDs de Luz Blanca con una eficiencia luminosa de 150 Lm/W, utilizando para ello una corriente de polarización directa de 20 mA. Esta eficiencia, comparada con otras fuentes de luz en términos de eficiencia sólo, es aproximadamente 1,7 veces superior a la de la lámpara fluorescente con prestaciones de color altas (90 lm/W) y aproximadamente 11,5 veces la de una lámpara incandescente (13 lm/W). Su eficiencia es incluso más alta que la de la Lámpara a vapor de sodio de alta presión (132 lm/W), que está considerada como una de las fuentes de luz más eficientes.[1]

El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (LED orgánicos), fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas a color.

Una solución tecnológica que pretende aprovechar las ventajas de la eficiencia alta de los LEDs típicos (hechos con materiales inorgánicos principalmente) y los costes menores de los OLEDs (derivados del uso de materiales orgánicos) son los Sistemas de Iluminación Híbridos (Orgánicos/Inorgánicos) basados en diodos emisores de luz. Dos ejemplos de este tipo de solución tecnológica los está intentado comercializar Cyberlux con los nombres de Hybrid White Light (HWL) (Luz Blanca Híbrida) y Hybrid Multi-color Light (HML) (Luz Multicolor Híbrida), cuyo resultado, puede producir sistemas de iluminación mucho más eficientes y con un coste menor que los actuales.[2]

Aplicaciones

Antiguo display LED de una calculadora.
Una pequeña linterna a pilas con LEDs.
La pantalla en Freemont Street en Las Vegas es actualmente la más grande del mundo.

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodoméstico‏‎s como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de Control remoto, así como en dispositivos detectores.

Los LEDs se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de Pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED.

El uso de diodos LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es moderado y es previsible que se incremente en el futuro, ya que sus prestaciones son superiores a las de la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, desde diversos puntos de vista. La iluminación con LEDs presenta indudables ventajas: larga vida útil, mayor eficiencia energética, respuesta rápida al encedido, fiabilidad, mayor resistencia a las vibraciones, soporte de aplicaciones intermitentes en modo continuo, mejor visibilidad, menor disipación de energía, menor riesgo ambiental... Asimismo, para el mismo rendimiento luminoso, se pueden producir luces de diferentes colores, mientras que muchas de las lámparas utilizadas hasta ahora tienen filtros para lograr un efecto similar, lo que supone que los LEDs ofrezcan unas prestaciones muy superiores.

Los LEDs de Luz Blanca son uno de los desarrollos más recientes y se pueden considerar como un intento muy bien fundamentado para sustituir las bombillas actuales por dispositivos mucho más eficientes desde un punto de vista energético. La eficiencia de los diodos LED puede ser notablemente mayor que la de lámparas de incandescencia e incluso fluorescentes, lo que los convierte en una alternativa muy prometedora para la iluminación. El avance en el desarrollo de diodos LED es muy rápido y sus características actuales son muy superiores a las de otras lámparas ampliamente usadas hasta ahora.

También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través de fibra óptica.

Conexión

La diferencia de potencial varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada.

En términos generales puede considerarse:

  • Rojo = 1 V
  • Rojo alta luminosidad = 1,9V
  • Amarillo = 1,7V a 3V
  • Verde = 2,4V
  • Verde alta luminosidad = 3,4V
  • Naranja = 2,4V
  • Blanco brillante = 3,4V
  • Azul = 3,4V
  • Azul 430 nm = 4,6V
  • Blanco = 3,7V

Luego mediante la Ley de Ohm, puede calcularse la resistencia adecuada para la tensión de la fuente que utilicemos.

 R = \frac {{V_{fuente}}-{(V_{d1} +V_{d2}+ ....)}}{I}

El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad de luminosa que necesitamos. Lo común es de 10mA para LEDs de baja luminosidad y 20mA para LEDs de alta luminosidad; un valor superior puede inhabilitar el LED o reducir de manera considerable su tiempo de vida.

Otros LEDs de una mayor capacidad de corriente conocidos como LEDs de potencia (1w, 3w, 5w,etc), pueden ser usados a 150mA, 350mA, 750mA o incluso a 1,000 mA dependiendo de las características opto-eléctricas dadas por el fabricante.

Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las diferencias de potencial en cada uno.

También se pueden hacer configuraciones en paralelo, aunque este tipo de configuraciones no son muy recomendadas para diseños de circuitos con LEDs eficientes.

Referencias

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Referencias e información de imágenes pulsando en ellas.
  1. Nichia Unveils White LED with 150 lm/W Luminous Efficiency”, Tech-On!, December 21 2006. Consultado el 17-04-2008.
  2. Cyberlux claims hybrid organic/inorganic lighting better than LEDs”, semiconductorTODAY, January 22 2007. Consultado el 17-04-2008.

Enlaces externos

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Wikipedia, con licencia CC-by-sa

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   » Alberto Mengual Muñoz   » (Ana)   »  Iñaki M.B.

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