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Como funcionan los LEDs (ART2100S)

Los LEDs o Diodos Emisores de Luz no son solo fuentes de luz importantes para los circuitos electrónicos. Sus características similares a las de un diodo semiconductor permiten la aplicación de estos componentes en diversas funciones. Actualmente el diseñador puede contar con una multitud de tipos de LEDs se sienta para sus proyectos. En este artículo vamos a hacer un análisis de su principio de trabajo y cómo se deben utilizar correctamente.

 Para entender bien cómo funciona un LED debemos compararlo con otra fuente de luz bien conocida que es la lampara incandescente. Las bombillas incandescentes funcionan cuando un filamento metálico colocado en su interior se calienta pasando una corriente. Los átomos tienen su grado de agitación de una manera tal como se produce una emisión de luz. Para que el metal no se queme con oxígeno atmosférico, el filamento se encierra en una bombilla de vidrio en cuyo interior el aire atmosférico se elimina por completo o se sustituye por una mezcla de gases inertes, como se muestra en la figura 1.

 

 

Figura 1 - Estructura de una lampara incandescente común.
Figura 1 - Estructura de una lampara incandescente común.

 

 

Sin embargo, como se muestra en la figura 2, una lampara incandescente es como un transmisor de radio sin sintonizar, un transmisor de ruido. Las longitudes y la onda de luz que emite se extienden por todo el espectro.

 

 

Figura 2 – Espectro de emisión de una lampara incandescente común.
Figura 2 – Espectro de emisión de una lampara incandescente común.

 

 

Dependiendo de la tensión aplicada a la lampara, tendremos un predominio de ciertas longitudes de onda y la luz emitida puede ser amarillento, blanca o incluso tierna a la azulada. Por lo tanto, no es una luz pura emitida por una lampara incandescente común.

 

El LED

LED es la abreviatura de Light Emmiting Diode o Diodo Emisor de Luz y su principio de funcionamiento se puede entender a partir del análisis de lo que ocurre con la estructura de la figura 3 cuando una corriente eléctrica lo recorre.

 

 

Figura 3 – Emisión de radiación por una juntura PN atravesado por una corriente.
Figura 3 – Emisión de radiación por una juntura PN atravesado por una corriente.

 

En esta estructura tenemos una juntura PN, es decir, un diodo semiconductor común que los lectores ya conocen, porque es un componente ampliamente utilizado en nuestros proyectos. Cuando una corriente cruza la unión, el proceso de recombinación de los portadores de carga provoca un estímulo y una emisión que se concentra principalmente en la del infrarrojo. Una característica importante observada en esta radiación es que en lugar de que su frecuencia sea aleatoria, como en el caso de la lampara incandescente que se extiende a través del espectro, tiene una frecuencia muy bien definida, que depende del tipo de material utilizado en el semiconductor, como se muestra en la figura 4.

 

 

Figura 4 – Espectro estrecho de una juntura PN.
Figura 4 – Espectro estrecho de una juntura PN.

 

 

Podemos decir que, a diferencia de una lámpara común, la radiación emitida en este caso está "sintonizada" ya que tiene una sola frecuencia. Para los diodos de silicio ordinarios, donde se descubrió el fenómeno, la intensidad de la radiación emitida es muy pequeña y prácticamente no le sirve de nada. Sin embargo, también se descubrió que se utilizaron otros materiales semiconductores y todavía se añadieron dopantes especiales, era posible emitir luz con mayor intensidad y en varios pistas de espectro.

 Los primeros LEDs creados fueros entonces un material llamado Arsenito de Galio y Arsenito de Galio con Indio (FgaAs y GaAsI) emitiendo radiación principalmente en el pista del infrarrojo. El siguiente paso fue la creación de materiales capaces de emitir radiación con longitudes de onda cada vez más pequeñas hasta que caer en la parte del espectro visible. Luego vinieron los primeros LEDs capaces de emitir luz en el espectro visible en la región del rojo. En la figura 5 tenemos un LED común con su estructura interna.

 

Figura 5 - Estructura interna de un LED.
Figura 5 - Estructura interna de un LED.

 

 Tenga en cuenta que el color de la luz LED no proviene del plástico que la rodea. El color de la luz depende de la inserción del material semiconductor utilizado. Si un LED utiliza plástico rojo, es porque este plástico tiene el mismo color que la luz emitida y no es lo que determina esa radiación. Los LEDs con plástico transparente o blanco pueden emitir luz de varios colores...

 El siguiente paso consistió en el desarrollo de LEDs que comenzaron a tener colores con longitudes de onda cada vez más pequeñas dentro del espectro visible, como se muestra en la figura 6.

 

Figura 6 – Los LEDs evolucionan hacia longitudes de onda cada vez menores.
Figura 6 – Los LEDs evolucionan hacia longitudes de onda cada vez menores.

 

 

Hoy en día ya es posible conseguir LEDs capaces de emitir luz azul e incluso violeta. Los LEDs de emisión ultravioleta están a punto de ser liberados. Una de las principales ventajas de los LEDs en relación con las lámparas cuando se utilizan como fuentes de luz es su rendimiento. Un LED común puede tener un rendimiento más del 80% al mismo tiempo que hay tipos de alto rendimiento y brillo que van mucho más allá.

Una lampara incandescente común, por otro lado, desperdicia la mayor parte de la energía que aplicamos en forma de calor. Sólo entre el 20 y el 25% de la energía consumida por una lampara incandescente es ligera. El resto es calor. Pero no sólo es posible montar una plaquita de peste en un componente. Podemos montar dos plaquitas, o incluso más, en el mismo componente y así obtener LEDs bicolores, como se muestra en la figura 7.

 

 

Figura 7 – Dos LEDs en la misma cubierta, formando un LED bicolor.
Figura 7 – Dos LEDs en la misma cubierta, formando un LED bicolor.

 

Dependiendo de la plaquita que esté conectada al circuito, el LED se ilumina con luz roja o verde. Para producir luz blanca o cualquier otro color a partir de LEDs existe una interesante posibilidad que se basa en el mismo principio de funcionamiento del televisor en color.

Sabemos que, a partir de tres colores básicos, rojo (Red –R), verde (Green -G) y azul (Blue - B) podemos obtener cualquier otro color simplemente dosificando la cantidad con la que cada uno entra en la composición. Por lo tanto, en un televisor en color los puntos de imagen están formados por tríadas que no son más que puntos de coincidencia en colores RGB, como se muestra en la figura 8.

 

Figura 8 – Tríada formando un píxel de la pantalla de un televisor a color o monitor de vídeo.
Figura 8 – Tríada formando un píxel de la pantalla de un televisor a color o monitor de vídeo.

 

Si montamos en un solo recinto tres comprimidos semiconductores de LEDs correspondientes a colores RGB (rojo, verde y azul), podemos controlar la corriente en cada uno y así generar luz de cualquier color, como se muestra en la figura 9.

 

 

Figura 9 - Generación de colores con un LED RGB.
Figura 9 - Generación de colores con un LED RGB.

 

Un panel de LEDs RGB puede generar imágenes en color y esta aplicación ya existe. La combinación correcta de los tres colores todavía puede resultar en luz blanca. A continuación, hay LEDs blancos que sustituyen a las lámparas comunes, con ventajas, en linternas pequeñas y otras aplicaciones. Bajo consumo y mayor rendimiento en comparación con una lampara común hacen que estos LEDs opciones muy interesantes para esta aplicación.

 

Características Eléctricas

Los LEDs se comportan como diodos, mientras que las bombillas incandescentes representan cargas resistivas no lineales. Podemos comparar las curvas características de los tres dispositivos (lampara, resistor y LED) a través del gráfico que se muestra en la figura 10.

 

 

Curvas características de los LEDs, resistores y lámparas comparativas.

Figura 10 – Curvas características de los LEDs, resistores y lámparas comparativas.

 

Al ampliar las características de los LEDs de diferentes colores, vemos que el punto en el que comienzan a conducir puede variar según su color. La figura 11 muestra esto.

 

Figura 11 – Curvas de los distintos tipos de LED. Observe las tensiones de conducción.
Figura 11 – Curvas de los distintos tipos de LED. Observe las tensiones de conducción.

 

Mientras que un diodo de germanio comienza a conducir con 0.2 V y un diodo de silicio de 0.7 V, un LED rojo común necesita al menos 1.6 V para comenzar a conducir y un LED azul al menos 2.7 V. En aplicaciones que utilizan baterías, la alimentación de LEDs con tensiones más altas requiere circuitos especiales. Esto es común que, en los teléfonos móviles, y otras aplicaciones que son alimentadas por baterías de 2.7 a 3.3 V, se utilizan circuitos especiales que aumentan la tensión para poder excitar los LEDs como se muestra en la figura 12.

 

 

Figura 12 – Uso de un impulso para elevar la tensión aplicada a un LED de las baterías.
Figura 12 – Uso de un impulso para elevar la tensión aplicada a un LED de las baterías.

 

 

Pero cuando se utiliza un LED no es suficiente tener en cuenta la tensión que necesita para iluminarse. Hay otros factores a considerar.

 

Uno es el comportamiento del LED similar al de un diodo. Cuando el LED comienza a conducir, su resistor cae de tal manera que si no hay resistor para limitar la corriente aumenta hasta el punto de causar su quema. Las curvas características muestran este rápido aumento de corriente con tensión desde el punto de conducción. Esto significa que, en aplicaciones prácticas, es obligatorio conectar en serie con un LED una resistor limitante, como se muestra en el circuito de la figura 13.

 

Figura 13 – Los LEDs deben utilizarse siempre con resistores limitantes de corriente.
Figura 13 – Los LEDs deben utilizarse siempre con resistores limitantes de corriente.

 

 

El valor de este resistor dependerá de la corriente que queramos para el LED y la tensión disponible. El cálculo se puede hacer simplemente usando la

 

siguiente fórmula:

R = (V – Vd)/I

 

Dónde:

R y la resistencia que debe conectarse en serie con el LED (ohms)

V es la tensión continua de la alimentación

Vd es la caída de tensión en el LED dado por la tabla a continuación

I es la corriente en el LED

 

Color - Vd

Infrarrojo - 1.6 V

Rojo - 1.6 V

Naranja - 1.8 V

Amarillo - 1.8 V

Verde - 2.1 V

Azul - 2.7 V

Blanco - 2.7 V

 

La potencia de disipación del resistor será dado por:

P x R x I2

 

Dónde:

P es la potencia disipada en watts

R es resistencia en serie en ohms

I es la intensidad de la corriente en amperes

 

Como podemos ver en las curvas características, la tensión de rotura inversa de un LED es relativamente bajo, algo alrededor de 5 V para tipos comunes. Esto significa que debemos tener cuidado de que más de 5 V en reversa no aparezca en un LED cuando lo alimentamos con corriente alterna. Esto se puede evitar mediante el uso de un diodo en paralelo, como se muestra en la figura 14.

 

 

Figura 14 – Alimentación de un LED con fuente de tensión alterna.
Figura 14 – Alimentación de un LED con fuente de tensión alterna.

 

Podemos alimentar varios LEDs serie desde la misma fuente con una sola resistora. No se recomienda conectar los LEDs en paralelo como se muestra en la figura 15.

 

Figura 15 - Conexión de LEDs en serie y en paralelo.
Figura 15 - Conexión de LEDs en serie y en paralelo.

 

Con esta conexión la corriente no se distribuye equitativamente entre los LEDs, ya que siempre tienen pequeñas diferencias en las características. Esto siempre hace que un LED brille más que el otro. Una de las formas de alimentar varios LEDs es con el circuito que se muestra en la figura 16 en el que los alimentamos en serie.

 

Figura 16 - R debe calcularse en función de la tensión de entrada y corriente en los LEDs.
Figura 16 - R debe calcularse en función de la tensión de entrada y corriente en los LEDs.

 

 

El cálculo del resistor R, que se conectará en serie, se realizará utilizando la siguiente fórmula:

 

R (V - nVd) /I (Para V > nVd + 2 V)

 

Dónde:

R es el valor de resistor en ohms

V es la tensión de alimentación

n es el número de LED conectados

Vd es la caída de tensión en cada LED de acuerdo con la tabla que damos anteriormente (en volts)

I es la intensidad actual que queremos en 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 forma de alimentar LOS LEDS de manera eficiente es con el uso de una fuente de corriente constante como la que se muestra en la figura 17.

 

Figura 17 - Fuente de corriente constante con circuito integrado.
Figura 17 - Fuente de corriente constante con circuito integrado.

 

En esta fuente, la corriente en los LEDs permanece constante independientemente de las variaciones en la tensión de entrada. El resistor Rx se calcula mediante la siguiente fórmula:

 

R 1,25/I

 

Dónde:

R es el valor de resistor en ohms

I es la intensidad actual en los LEDs en amperes

 

La tensión de entrada en este circuito debe ser al menos 2 V mayor que la caída de tensión en los LEDs que se alimentan. Como elemento activo, los

LEDs pueden servir como referencias de tensión, como se muestra en la fuente de corriente constante que se muestra en la figura 18.

 

Figura 18 - Fuente de corriente constante utilizando un LED como referencia de tensión.
Figura 18 - Fuente de corriente constante utilizando un LED como referencia de tensión.

 

Por último, para alimentar LEDs blancos o de alto rendimiento de fuentes de baja tensión se pueden utilizar circuitos integrados específicos como se muestra en la figura 19.

 

 

Figura 19 – Doblador de tensión de circuito integrado para alimentar LEDs de tensiones bajas.
Figura 19 – Doblador de tensión de circuito integrado para alimentar LEDs de tensiones bajas.

 

Este circuito consiste en un doblador de tensión que eleva la tensión de entrada en el circuito a un valor que es más apropiado para la excitación del LED.

 

Conclusión

Los LEDs están presentes en multitud de aplicaciones y sus características eléctricas requieren un cuidado especial cuando lo alimentamos. Utilizados correctamente, los LEDs tienen un gran rendimiento y una vida útil extremadamente larga, lo que los hace ideales como sustituto de las lámparas ordinarias.

 

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