LED es el acrónimo de unas palabras inglesas (Light-EmittingDiode), que traducidas significan: "Diodo Emisor de Luz".
Esto nos da las primeras pistas:
- Es un diodo, es decir un componente electrónico semiconductor, con polaridad.
- Emite luz, por lo que se usará en funciones de señalización, estética y, actualmente, iluminación.
Un led no es más que un pequeño chip de material semiconductor, que cuando es atravesado por una corriente eléctrica, en sentido apropiado, emite luz monocromática.
Los LED son dispositivos semiconductores de estado sólido lo cual los hace robustos, fiables, de larga duración y a prueba de vibraciones, que pueden convertir la energía eléctrica directamente en luz. El interior de un LED es un pequeño semiconductor encapsulado en un recinto de resina de epoxi.
En contra de otros sistemas, los LED no tienen filamentos u otras partes mecánicas sujetas a rotura ni a fallos por "fundido", no existe un punto en que cesen de funcionar, sino que su degradación es gradual a lo largo de su vida.
Se considera que a aproximadamente a las 50.000 horas, es cuando su flujo decae por debajo del 70% de la inicial, eso significa aproximadamente 6 años en una aplicación de 24 horas diarias 365 días/año.
Esto permite una reducción enorme de costes de mantenimiento ya que no se necesita reemplazarlas, por lo que el Coste de Iluminación es mucho menor.
Asimismo, por su naturaleza el encendido se produce instantáneamente al 100% de su intensidad sin parpadeos ni periodos de arranque, e independientemente de la temperatura. A diferencia de otros sistemas no se degrada por el número de encendidos
El control de los LED es otro de los factores importantes. Dada su naturaleza son fácilmente controlables, pudiendo producir efectos y permitiendo controles de energía que con otros dispositivos es más difícil y caro de obtener.
Por otra parte los dispositivos LED son ecológicos ya que no contienen mercurio, tienen una duración mayor, ahorran gran cantidad de energía, un punto significativo a tener en cuenta en las instalaciones y especialmente en las de tipo público, y no producen casi contaminación lumínica, otro aspecto importante en aplicaciones públicas y especialmente de tráfico.
2. HISTORIA DE LOS LED
El primer led fue desarrollado en 1927 por OlegVladimírovichLósev (1903-1942), sin embargo no se usó en la industria hasta los años sesenta. Solo se podían construir de color rojo, verde y amarillo con poca intensidad de luz y limitaba su utilización a mandos a distancia (controles remotos) y electrodomésticos para marcar el encendido y apagado.
A mediados de los 60 la empresa "Mosanto" fabricó los primeros led, que daban luz en la zona visible del espectro lumínico. Basados en el compuesto "Arseniuro de Galio, eran de color rojo y su iluminación muy tenue.
El primer espectro visible práctico LED fue desarrollado en 1962, el desarrollo de los LED ha alcanzado un nivel tan alto, que ha sido escogido como la mejor alternativa al bulbo incandescente, a la luz de neón y al fluorescente en muchas áreas. Se predice que con el ya remoto desarrollo de LED las fuentes de iluminación mencionadas o convencionales actuales cederán el paso a los LED en el futuro próximo. El futuro del ser humano será más brillante ya que el empleo común de los LED supondrá ahorro en energía, costes y tiempo.
En la actualidad se fabrican led con gran variedad de tamaños y voltajes, con iluminación mucho más brillante y en una gran gama de colores que incluyen los colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y blanco.
3. CARACTERISTICAS
Pequeño tamaño
Un LED puede ser sumamente pequeño y proporcionar un haz de luz de altas prestaciones lumínicas.
Consumo de electricidad bajo
Los LED tienen un consumo de electricidad muy bajo. Generalmente, un LED está diseñado para funcionar en la corriente 2-3.6V, 0.02-0.03A, esto significa que no necesita más de 0.1w para funcionar.
Vida larga
Con funcionamiento a una tensión nominal, la corriente y el ambiente adecuados los LED disfrutan de una larga vida aproximadamente 100,000 horas.
Alta eficacia luminosa y baja emisión de calor
Los LED puede convertir casi toda la energía usada en luz, y por lo tanto el rendimiento de los mimos se traduce en una muy alta eficacia luminosa y baja emisión de calor. Uno de los mejores LED en el mercado actual emite 321m/w, que es casi dos veces tan eficiente como una bombilla de filamento de tungsteno equivalente.
Protección de medio ambiente
Los LED están fabricados con materiales no tóxicos a diferencia de las lámparas fluorescentes con el mercurio que contienen y que plantean un peligro de contaminación. Los LED pueden ser totalmente reciclados.
Irrompible
El dispositivo electroluminescente de los LED está completamente encajado en un recinto de resina epoxi, lo hace mucho más robusto que la lámpara de filamentos convencional y el tubo fluorescente; no hay ninguna parte móvil dentro del recinto de epoxi sólido, es más resistente a vibraciones o impactos. Esto hace que los LED sean altamente resistentes.
Ledes de color rojo, verde y azul de 5 mm.
4. ESTRUCTURA
Un led típico contiene un chip semiconductor, emisor de luz, y unos terminales donde apoyar el chip (por donde, a su vez, le llega la corriente). Nada más (y nada menos).
Todo ello embebido y recubierto por un encapsulado de epoxy que sirve de protección y de lente para enfocar la luz.
Vamos a verlo con una imagen:
Hay un hilo muy fino, entre el cátodo y el ánodo, que podría dar apariencia de fragilidad, pero no es así; y ello porque
1.- No tiene que ponerse incandescente (de hecho apenas se calienta).
2.- No está al aire, sino incrustado dentro del epoxy.
5. TIPOS DE LED
Grosso modo podemos clasificar los led en: Discretos (individuales) y Agrupados (Displays o matrices)
Dentro del grupo de ledindividuales o discretos podemos encontrar varios tipos:
•Estándar: Son los led clásicos de toda la vida. Con la forma cilíndrica, abovedada y que se presentan en tamaños de 3 y 5 mm de diámetro. Se caracterizan por tener el encapsulado teñido del mismo color que la luz que emiten. Es frecuente encontrarlos en color rojo y verde, aunque también los hay amarillos.
Además pueden encontrarse con formas variadas (rectangular, triangular, de punto...) para adaptarlos a diferentes necesidades. Se usan principalmente como señalizadores para indicar el funcionamiento de algún dispositivo. Aunque también cumplen una función de adorno y estética.
•Ultralumínicos o "de alta luminosidad": Similares en tamaño y forma a los anteriores, se caracterizan porque su encapsulado es transparente (o levemente tintado). Además emiten mucha más luz que los anteriores, por lo que se usan para señalización en ambientes muy iluminados (donde los estándar apenas se harían notar); aunque sus aplicaciones se amplían hacia el campo de la iluminación y estética.
Se los puede encontrar en varias formas y tamaños.
Es habitual encontrarlos con forma cilíndrica, abovedada. En tamaños de 3 y 5 mm.
La gama de colores es más amplia, incorporando los azules, rojos, amarillos, anaranjados y verdes (con varias tonalidades según los fabricantes) y el blanco; entre otros colores.
En los últimos años están comenzando a aparecer nuevas variantes de ledultralumínicos:
Con tamaños mayores, de hasta 10 mm.de diámetro.
Con encapsulados que evitan los terminales para soldar, en favor de conexiones a rosca o bayoneta, con usos que abarcan desde linternas a pilotos para bicicletas.
En cuanto a las agrupaciones de led, decir que son led colocados juntos dentro del mismo encapsulado.
Uno de los terminales es común para todos los leds que componen el grupo, mientras que habrá otro terminal para cada uno de los led.
•Led dobles o tricoloreados: Frecuentemente en colores rojo y verde.
En esencia son dos led dentro del mismo encapsulado. Tienen tres terminales: uno central que es el negativo y dos laterales que son los positivos, para cada uno de los led.
Se denominan tricoloreados por poder adquirir distintas tonalidades según esté encendido uno u otro (o los dos) ledinviduales de que se compone.
Los encontrareis tanto en iluminación estandar, como en alta luminosidad.
•Matrices: Con las típicas barras de led, aunque también hay matrices de puntos para componer paneles.
Dentro de este grupo encontramos los típicos displays de 7 segmentos.
•Otras agrupaciones: Los avances tecnológicos en torno a la fabricación de led, permiten utilizarlos como fuentes de luz en automoción, en el hogar, etc.
Para lograr una iluminación adecuada se emplean grupos de led, conectados en común, a los que se añaden otros componentes electrónicos y "enlatados" en casquillos estandar, que permiten conectarlos como si se tratase de bombillas corrientes.
Por último, no podemos dejar de mencionar los nuevos "monstruos" de esta gran familia.
Contienen hasta 4 chip en el mismo led y alcanzan intensidades luminosas, impensables haste hace unos pocos meses.
Ledes de distintos colores.
6. SÍMBOLO ELECTRÓNICO
7. POLARIDAD
Los led tienen polaridad y es preciso conectarlos en el sentido correcto.
Así que lo primero que debemos saber es como conocer su polaridad.
Antes que se me olvide recordad: El ánodo es el terminal que se debe conectar a la toma de corriente positiva (+).
El cátodo es el terminal que debemos conectar a masa (-).
Esto no es del todo exacto, en realidad el cátodo debe estar conectado a una tensión inferior que el ánodo. Pero para simplificar vamos a considerar que lo conectamos a masa.
Normalmente el chip del led se suele ubicar sobre el cátodo, que tiene forma de copa y es más grande que el ánodo.
En la imagen de arriba se ve claramente el cátodo, que es el terminal situado a la derecha. Justo encima de él vemos brillar el chip.
Como esta regla no es 100% universal y, además, hay led con cubiertas bastante opacas en las que no se aprecia el interior; haríamos bien en buscar otra forma de reconocer los polos.
Si el led es nuevo tendrá los terminales de distinta longitud.
El terminal más largo se corresponde con el ánodo (+).
Si el led tiene los terminales recortados, todavía podemos conocer su polaridad.
En este caso hay que coger el led y fijarse en la base del encapsulado.
En un lado de la circuferencia base veremos una zona plana (achaflanada). El terminal situado junto a esa zona será el correspondiente al cátodo (-) del led
Estas 2 reglas son universales, independientemente del fabricante, en todos los led la patilla larga es la que corresponde al ánodo y la corta, junto a la muesca de la base, la del cátodo.
Si el led es doble, tendrá tres terminales. Normalmente la patilla central se corresponde al cátodo (-) y es común para los dos led. Mientras que los terminales de los extremos son los ánodos (+) de cada uno de los led.
En cuanto a las matrices y displays los hay de cátodo común y también de ánodo común. Si no tenemos su hoja de datos habrá que usar el método de la pila.
8. FUNCIONAMIENTO FÍSICO
A Ánodo
B Cátodo
1 Lente/encapsulado epóxico
2 Contacto metálico
3 Cavidad reflectora
4 Terminación del semiconductor
5 Yunque
6 Plaqueta
7
8 Borde plano
El funcionamiento normal consiste en que, en los materiales conductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía perdida cuando pasa un electrón de la banda de conducción a la de valencia se manifieste como un fotón desprendido o como otra forma de energía (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo.
Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable. Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda prohibida directa (directbandgap) con la energía correspondiente a su banda prohibida (véase semiconductor). Esto no quiere decir que en los demás semiconductores (semiconductores de banda prohibida indirecta o indirectbandgap) no se produzcan emisiones en forma de fotones; sin embargo, estas emisiones son mucho más probables en los semiconductores de banda prohibida directa (como el nitruro de galio) que en los semiconductores de banda prohibida indirecta (como el silicio).
La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en todos los diodos y solo es visible en diodos como los ledes de luz visible, que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible. En otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En el caso de que el diodo libere la energía en forma de radiación ultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiación para producir radiación visible, mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes que absorban la radiación ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luz visible.
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 solo 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.
Ledes azules.
Para obtener buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el led; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación. Valores típicos de corriente directa de polarización de un led corriente están comprendidos entre los 10 y los 40 mA. En general, los ledes suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos). El primer led que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.
9. TECNOLOGÍA LED/OLED
En corriente continua (CC), todos los diodos emiten 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), emitiendo fotones en el proceso. Indudablemente, 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 ledes 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.
Compuestos empleados en la construcción de ledes
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, anaranjado 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 años noventa por ShujiNakamura, 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 ultravioleta, que se han empleado con éxito en la producción de luz negra 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 ledes 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 vatio 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 (véase convección) generado por efecto Joule.Hoy en día, se están desarrollando y empezando a comercializar ledes con prestaciones muy superiores a las de hace unos años y con un futuro prometedor en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminación. Como ejemplo, se puede destacar que NichiaCorporation ha desarrollado ledes de luz blanca con una eficiencia luminosa de 150 lm/W, utilizando para ello una corriente de polarización directa de 20 miliamperios (mA). Esta eficiencia, comparada con otras fuentes de luz solamente en términos de rendimiento, 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 de vapor de sodio de alta presión (132 lm/W), que está considerada como una de las fuentes de luz más eficientes.
El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (ledes 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 en color.
El OLED (organic light-emittingdiode: ‘diodo orgánico de emisión de luz’) es un diodo basado en una capa electroluminiscente que está formada por una película de componentes orgánicos, y que reaccionan a una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos.
No se puede hablar realmente de una tecnología OLED, sino más bien de tecnologías basadas en OLED, ya que son varias las que hay, dependiendo del soporte y finalidad a la que vayan destinados.
Su aplicación es realmente amplia, mucho más que, en el caso que nos ocupa (su aplicación en el mundo de la informática), cualquier otra tecnología existente.
Pero además, las tecnologías basadas en OLED no solo tienen una aplicación puramente como pantallas reproductoras de imagen, sino que su horizonte se amplía al campo de la iluminación, privacidad y otros múltiples usos que se le pueda dar.
Las ventajas de esta nueva tecnología son enormes, pero también tiene una serie de inconvenientes, aunque la mayoría de estos son totalmente circunstanciales, y desaparecerán en unos casos conforme se siga investigando en este campo y en otros conforme vaya aumentando su uso y producción.
Una solución tecnológica que pretende aprovechar las ventajas de la eficiencia alta de los ledes típicos (hechos con materiales inorgánicos principalmente) y los costes menores de los OLED (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 la empresa Cyberlux con los nombres de HWL (Hybrid White Light: ‘luz blanca híbrida’) y HML (Hybrid Multicolor Light: ‘luz multicolor híbrida’), cuyo resultado puede producir sistemas de iluminación mucho más eficientes y con un coste menor que los actuales.
10. CONEXIÓN
Para conectar ledes de modo que iluminen de forma continua, deben estar polarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de alimentación conectada al ánodo y el polo negativo conectado al cátodo. Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a su tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no exceda los límites admisibles, lo que dañaría irreversiblemente al led. (Esto se puede hacer de manera sencilla con una resistencia R en serie con los ledes). Unos circuitos sencillos que muestran cómo polarizar directamente ledes son los siguientes:
La diferencia de potencial (d. d. p.) varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada.
En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los siguientes valores de diferencia de potencial:
• Rojo = 1,8 a 2,2 voltios.
• Anaranjado = 2,1 a 2,2 voltios.
• Amarillo = 2,1 a 2,4 voltios.
• Verde = 2 a 3,5 voltios.
• Azul = 3,5 a 3,8 voltios.
• Blanco = 3,6 voltios.
Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia R adecuada para la tensión de la fuente Vfuente que utilicemos.
El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 miliamperios para ledes de baja luminosidad y 20 mA para ledes de alta luminosidad; un valor superior puede inhabilitar el led o reducir de manera considerable su tiempo de vida.
Otros ledes de una mayor capacidad de corriente conocidos como ledes de potencia (1 W, 3 W, 5 W, etc.), pueden ser usados a 150 mA, 350 mA, 750 mA o incluso a 1000 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 ledes eficientes.
11. CYBERGRAFIA
www.wikipedia.org
