La forma completa de LED es diodo emisor de luz. Los LED son un tipo especial de diodos semiconductores que emiten luz en respuesta a una diferencia de potencial aplicada entre sus terminales, de ahí el nombre de diodo emisor de luz. Al igual que un diodo normal, los LED también tienen dos terminales con polaridad, a saber, ánodo y cátodo. Para iluminar un LED, se aplica una diferencia de potencial o un voltaje a través de sus terminales de ánodo y cátodo.
Hoy en día, los LED se utilizan ampliamente para fabricar lámparas LED de última generación de alto brillo. Estos también se utilizan popularmente para la fabricación de luces de cadena LED decorativas e indicadores LED.
Breve historia
A pesar de que los LED se consideran un producto de la industria de semiconductores de alta tecnología en la actualidad, su propiedad de iluminación se identificó inicialmente hace muchos años. La primera persona en notar el efecto de la luz LED fue uno de los ingenieros de Marconi, H. J. Round, quien también es conocido por varios inventos de tubos de vacío y radio. Descubrió esto en el año 1907 mientras investigaba con Marconi sobre detectores de cristal de contacto puntual.
En 1907, la revista Electrical World fue la primera en informar sobre estos avances. El concepto LED permaneció inactivo durante varios años hasta que fue redescubierto en 1922 por el científico ruso O.V. Losov.
Losov residía en Leningrado, donde murió trágicamente en la Segunda Guerra Mundial. Es posible que la mayoría de sus diseños se hayan perdido en la guerra. Aunque presentó un total de cuatro patentes entre los años 1927 y 1942, su investigación no fue reconocida hasta después de su muerte.
El concepto LED reapareció en 1951, cuando un grupo de científicos dirigido por K. Lehovec comenzó a investigar el efecto. La investigación procedió con la participación de otras organizaciones e investigadores, incluido W. Shockley (inventor del transistor). Eventualmente, el concepto LED experimentó un refinamiento significativo y comenzó a comercializarse a fines de la década de 1960.
¿Qué material semiconductor se utiliza en una unión de LED?
En esencia, los diodos emisores de luz son una unión PN especializada hecha con un semiconductor compuesto.
El silicio y el germanio son los dos semiconductores más utilizados, sin embargo, dado que estos son solo elementos, no se pueden fabricar LED con ellos.
Por el contrario, los materiales como el arseniuro de galio, el fosfuro de galio y el fosfuro de indio que combinan dos o más elementos se utilizan con frecuencia para fabricar LED. El arseniuro de galio, por ejemplo, tiene una valencia de tres y el arsénico tiene una valencia de cinco, y por lo tanto, ambos se clasifican como semiconductores del grupo III-V.
Los materiales pertenecientes al grupo III-V también se pueden utilizar para crear otros semiconductores compuestos.
Cuando una unión de semiconductores tiene polarización directa, los huecos de la región de tipo P y los electrones de la región de tipo N entran en la unión y se combinan, tal como lo harían en un diodo normal.
La corriente se mueve a través de la unión de esta manera.
Como resultado, se libera energía, parte de la cual se emite como fotones (luz). Para garantizar que la estructura absorba la menor cantidad de fotones (luz), el lado P de la unión, que produce la mayor parte de la luz en la mayoría de los casos, se coloca lo más cerca posible de la superficie del dispositivo.
Se requiere que la unión esté perfectamente optimizada y se deben usar los materiales correctos para crear luz visible. La región infrarroja del espectro es donde el arseniuro de galio puro emite su energía.
Cómo los LED obtienen sus colores
El aluminio se introduce en el semiconductor para producir arseniuro de aluminio y galio, que desplaza la luz LED hacia el extremo rojo brillante del espectro (AIGaAs).
La luz roja también se puede producir agregando fósforo.
Se utilizan varios materiales para otros colores de LED. Por ejemplo, el fosfuro de galio emite luz verde, mientras que el fosfuro de aluminio, indio y galio produce luz amarilla y naranja. La mayoría de los LED están hechos de semiconductores de galio.
Los LED se fabrican con dos estructuras
El diodo emisor de superficie y el diodo emisor de borde, que se ven en las Figs. 1 A y B, respectivamente, son las dos arquitecturas principales utilizadas para los LED. El diodo emisor de superficie es el más popular de ellos, ya que produce luz en un ángulo más amplio.
Después de la fabricación, la estructura del LED debe encerrarse de tal manera que pueda usarse de manera segura sin dañar el LED.
La mayoría de los diminutos indicadores LED están encapsulados en un pegamento epoxi con un índice de refracción que se encuentra en algún lugar entre el del semiconductor y el del aire circundante (consulte la Fig. 2 a continuación). El diodo está así perfectamente protegido y la luz se transfiere al mundo exterior de la manera más eficaz.
Especificación de voltaje directo LED (VF)
Dado que los LED son dispositivos sensibles a la corriente, el voltaje aplicado nunca debe exceder la especificación de voltaje directo mínimo del LED. La especificación de voltaje directo de un LED (VF) es simplemente el nivel de voltaje óptimo que se puede usar para iluminar el LED de manera segura y brillante. Si la corriente excede la especificación de voltaje directo del LED, el LED se quemará y se dañará permanentemente.
En caso de que la tensión de alimentación sea superior a la tensión directa del LED, se utiliza una resistencia calculada en serie con la alimentación para limitar la corriente al LED. Esto garantiza que el LED pueda iluminar de forma segura con un brillo óptimo.
El valor de voltaje directo de la mayoría de los LED hoy en día es de alrededor de 3,3 V. Ya sea un LED rojo, verde o amarillo, normalmente todos pueden iluminarse aplicando 3,3 V a través de sus terminales de ánodo y cátodo.
La tensión de alimentación del LED debe ser CC. También se puede usar una CA, pero luego el LED debe tener un diodo rectificador conectado. Esto asegura que el cambio de polaridad del voltaje de CA no cause ningún daño al LED.
Corriente limitante
Los LED, al igual que los diodos normales, no tienen una limitación de corriente inherente. Como resultado, si se conecta directamente a través de una batería, se quemará.
Si el suministro de CC es de alrededor de 3,3 V, entonces el LED no requerirá una resistencia limitadora. Sin embargo, si la tensión de alimentación es superior a 3,3 V, se requerirá una resistencia en serie con el terminal LED.
La resistencia se puede conectar en serie con el terminal de ánodo del LED o con el terminal de cátodo del LED.
Para evitar daños, se debe conectar una resistencia al circuito para controlar la corriente. Los indicadores LED normales tienen una especificación de corriente máxima de aproximadamente 20 mA; si la corriente se limita por debajo de esto, la salida de luz del LED se reducirá proporcionalmente.
Como se ilustra en la Fig. 3 anterior, es posible que se deba considerar el voltaje a través del propio LED al estimar la cantidad de corriente consumida. Porque si el voltaje aumenta, el consumo de corriente también aumentará proporcionalmente.
La fórmula para calcular la resistencia limitadora es la siguiente:
R = V - LED FWD V / LED Corriente
- Aquí V representa el suministro de CC de entrada.
- LED FWD V es la especificación de voltaje directo del LED.
- La corriente del LED indica la capacidad máxima de manejo de corriente del LED.
Supongamos que V = 12 V, LED FWD V = 3,3 V y corriente de LED = 20 mA, entonces el valor de R se puede resolver de la siguiente manera:
R = 12 - 3,3 / 0,02 = 435 ohmios, el valor estándar más cercano es 470 ohmios.
El vataje será = 12 - 3,3 x 0,02 = 0,174 vatios o simplemente 1/4 de vatio servirá.
