¿Qué es el diodo emisor de luz: funcionamiento y sus aplicaciones?

El diodo emisor de luz es una fuente de luz semiconductora de dos conductores. En 1962, a Nick Holonyak se le ocurrió la idea de un diodo emisor de luz y estaba trabajando para la compañía de electricidad general. El LED es un tipo especial de diodo y tiene características eléctricas similares a un diodo de unión PN. Por lo tanto, el LED permite el flujo de corriente en la dirección de avance y bloquea la corriente en la dirección de retroceso. El LED ocupa un área pequeña que es menos de 1 mm² . Las aplicaciones de los LED utilizado para realizar diversos proyectos eléctricos y electrónicos. En este artículo, discutiremos el principio de funcionamiento del LED y sus aplicaciones.

¿Qué es un diodo emisor de luz?

El diodo emisor de luz es un diodo de unión p-n . Es un diodo especialmente dopado y compuesto por un tipo especial de semiconductores. Cuando la luz se emite en polarización directa, entonces se llama diodo emisor de luz.

Diodo emisor de luz

Símbolo LED

El símbolo LED es similar a un símbolo de diodo excepto por dos flechas pequeñas que especifican la emisión de luz, por lo que se llama LED (diodo emisor de luz). El LED incluye dos terminales, a saber, ánodo (+) y cátodo (-). El símbolo LED se muestra a continuación.

Símbolo LED

Construcción de LED

La construcción del LED es muy simple porque está diseñada mediante la deposición de tres capas de material semiconductor sobre un sustrato. Estas tres capas están dispuestas una a una donde la región superior es una región de tipo P, la región media está activa y, finalmente, la región inferior es de tipo N. Las tres regiones de material semiconductor se pueden observar en la construcción. En la construcción, la región de tipo P incluye los huecos, la región de tipo N incluye elecciones, mientras que la región activa incluye tanto huecos como electrones.

Cuando no se aplica voltaje al LED, no hay flujo de electrones y huecos, por lo que son estables. Una vez que se aplica el voltaje, el LED se polarizará hacia adelante, por lo que los electrones en la región N y los huecos de la región P se moverán a la región activa. Esta región también se conoce como región de agotamiento. Debido a que los portadores de carga, como los agujeros, incluyen una carga positiva, mientras que los electrones tienen una carga negativa, por lo que la luz se puede generar mediante la recombinación de cargas de polaridad.

¿Cómo funciona el diodo emisor de luz?

El diodo emisor de luz simplemente, lo conocemos como diodo. Cuando el diodo está polarizado hacia adelante, los electrones y los agujeros se mueven rápidamente a través de la unión y se combinan constantemente, eliminándose unos a otros. Poco después de que los electrones se muevan del silicio tipo n al tipo p, se combina con los huecos y luego desaparece. Por lo tanto, hace que el átomo completo sea más estable y proporciona una pequeña explosión de energía en forma de un pequeño paquete o fotón de luz.

Funcionamiento del diodo emisor de luz

El diagrama anterior muestra cómo funciona el diodo emisor de luz y el proceso paso a paso del diagrama.

• En el diagrama anterior, podemos observar que el silicio de tipo N está en color rojo, incluidos los electrones que están indicados por los círculos negros.
• El silicio tipo P es de color azul y contiene agujeros, están indicados por círculos blancos.
• La fuente de alimentación a través de la unión p-n hace que el diodo esté polarizado hacia adelante y empuje los electrones del tipo n al tipo p. Empujando los agujeros en la dirección opuesta.
• El electrón y los huecos en la unión se combinan.
• Los fotones se desprenden a medida que se recombinan los electrones y los huecos.

Historia del diodo emisor de luz

Los LED se inventaron en el año 1927, pero no es un invento nuevo. A continuación se analiza una breve revisión de la historia del LED.

• En el año 1927, Oleg Losev (inventor ruso) creó el primer LED y publicó alguna teoría sobre su investigación.
• En el año 1952, el profesor Kurt Lechovec ha probado las teorías de las teorías de los perdedores y ha explicado sobre los primeros LED
• En el año 1958, Rubin Braunstein & Egon Loebner inventaron el primer LED verde
• En el año 1962, Nick Holonyak desarrolló un LED rojo. Entonces, se crea el primer LED.
• En el año 1964, IBM implementó LED en una placa de circuito por primera vez en una computadora.
• En el año 1968, HP (Hewlett Packard) comenzó a usar LED en calculadoras.
• En el año 1971, Jacques Pankove y Edward Miller inventaron un LED azul
• En el año 1972, M. George Crawford (Ingeniero Eléctrico) inventó el LED de color amarillo.
• En el año 1986, Walden C. Rhines & Herbert Maruska de la Universidad de Stafford inventaron un LED de color azul con magnesio que incluía estándares futuros.
• En el año 1993, Hiroshi Amano y los físicos Isamu Akaski desarrollaron un nitruro de galio con LED de color azul de alta calidad.
• Un ingeniero eléctrico como Shuji Nakamura desarrolló el primer LED azul con alto brillo a través de desarrollos de Amanos & Akaski, lo que rápidamente lleva a la expansión de los LED de color blanco.
  En el año 2002, los LED de color blanco se utilizaron para fines residenciales que cargan alrededor de £ 80 a £ 100 por cada bombilla.
• En el año 2008, las luces LED se han vuelto muy populares en oficinas, hospitales y escuelas.
• En el año 2019, los LED se han convertido en las principales fuentes de luz
• El desarrollo de LED es increíble, ya que va desde pequeñas indicaciones hasta iluminar oficinas, hogares, escuelas, hospitales, etc.

Circuito de diodos emisores de luz para polarización

La mayoría de los LED tienen valores nominales de voltaje de 1 voltio a 3 voltios, mientras que los valores nominales de corriente directa van de 200 mA a 100 mA.

Polarización de LED

Si el voltaje (1V a 3V) se aplica al LED, entonces funciona correctamente debido a que el flujo de corriente para el voltaje aplicado estará en el rango de operación. De manera similar, si el voltaje aplicado a un LED es alto que el voltaje de funcionamiento, la región de agotamiento dentro del diodo emisor de luz se romperá debido al alto flujo de corriente. Este alto flujo inesperado de corriente dañará el dispositivo.

Esto se puede evitar conectando una resistencia en serie con la fuente de voltaje y un LED. Las clasificaciones de voltaje seguro de los LED estarán en el rango de 1 V a 3 V, mientras que las clasificaciones de corriente segura varían de 200 mA a 100 mA.

Aquí, la resistencia que está dispuesta entre la fuente de voltaje y el LED se conoce como resistencia limitadora de corriente porque esta resistencia restringe el flujo de corriente, de lo contrario, el LED puede destruirla. Entonces, esta resistencia juega un papel clave en la protección del LED.

Matemáticamente, el flujo de corriente a través del LED se puede escribir como

SI = Vs - VD / Rs

Dónde,

'SI' es corriente directa

'Vs' es una fuente de voltaje

'VD' es la caída de voltaje a través del diodo emisor de luz

'Rs' es una resistencia limitadora de corriente

La cantidad de voltaje cayó para derrotar la barrera de la región de agotamiento. La caída de voltaje del LED variará de 2 V a 3 V, mientras que el diodo Si o Ge es 0.3, de lo contrario, 0.7 V.

Por lo tanto, el LED se puede operar usando alto voltaje en comparación con diodos Si o Ge.
Los diodos emisores de luz consumen más energía que los diodos de silicio o germanio para funcionar.

Tipos de diodos emisores de luz

Existen diferentes tipos de diodos emisores de luz presente y algunos de ellos se mencionan a continuación.

• Arseniuro de galio (GaAs) - infrarrojo
• Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) - rojo a infrarrojo, naranja
• Fosfuro de arseniuro de galio y aluminio (AlGaAsP): rojo de alto brillo, rojo anaranjado, naranja y amarillo
• Fosfuro de galio (GaP): rojo, amarillo y verde
• Fosfuro de aluminio y galio (AlGaP) - verde
• Nitruro de galio (GaN) - verde, verde esmeralda
• Nitruro de galio e indio (GaInN): casi ultravioleta, verde azulado y azul
• Carburo de silicio (SiC) - azul como sustrato
• Selenuro de zinc (ZnSe) - azul
• Nitruro de aluminio y galio (AlGaN) - ultravioleta

Principio de funcionamiento de LED

El principio de funcionamiento del diodo emisor de luz se basa en la teoría cuántica. La teoría cuántica dice que cuando el electrón desciende del nivel de energía más alto al nivel de energía más bajo, la energía emite desde el fotón. La energía del fotón es igual a la brecha de energía entre estos dos niveles de energía. Si el diodo de unión PN está polarizado hacia adelante, entonces la corriente fluye a través del diodo.

Principio de funcionamiento de LED

El flujo de corriente en los semiconductores es causado por el flujo de agujeros en la dirección opuesta de la corriente y el flujo de electrones en la dirección de la corriente. Por tanto, habrá recombinación debido al flujo de estos portadores de carga.

La recombinación indica que los electrones en la banda de conducción saltan hacia la banda de valencia. Cuando los electrones saltan de una banda a otra, los electrones emitirán la energía electromagnética en forma de fotones y la energía de los fotones es igual al espacio de energía prohibido.

Por ejemplo, consideremos la teoría cuántica, la energía del fotón es el producto de la constante de Planck y la frecuencia de la radiación electromagnética. Se muestra la ecuación matemática

Eq = hf

Donde se conoce como una constante de Planck y la velocidad de la radiación electromagnética es igual a la velocidad de la luz, es decir, c. La frecuencia de radiación está relacionada con la velocidad de la luz como f = c / λ. λ se denota como una longitud de onda de radiación electromagnética y la ecuación anterior se convertirá en una

Eq = él / λ

De la ecuación anterior, podemos decir que la longitud de onda de la radiación electromagnética es inversamente proporcional al espacio prohibido. En los semiconductores de silicio, germanio en general, esta brecha de energía prohibida se encuentra entre la condición y las bandas de valencia son tales que la radiación total de la onda electromagnética durante la recombinación está en forma de radiación infrarroja. No podemos ver la longitud de onda de los infrarrojos porque están fuera de nuestro rango visible.

Se dice que la radiación infrarroja es como calor porque los semiconductores de silicio y germanio no son semiconductores de brecha directa, sino que son semiconductores de brecha indirecta. Pero en los semiconductores de brecha directa, el nivel máximo de energía de la banda de valencia y el nivel mínimo de energía de la banda de conducción no ocurren en el mismo momento de los electrones. Por lo tanto, durante la recombinación de electrones y huecos, la migración de electrones de la banda de conducción a la banda de valencia cambiará el momento de la banda de electrones.

LEDs blancos

La fabricación de LED se puede realizar mediante dos técnicas. En la primera técnica, los chips LED como rojo, verde y azul se fusionan dentro de un paquete similar para generar luz blanca, mientras que en la segunda técnica, se utiliza la fosforescencia. La fluorescencia dentro del fósforo se puede resumir dentro del epoxi circundante, luego el LED se activará a través de la energía de longitud de onda corta utilizando el dispositivo LED InGaN.

Las luces de diferentes colores como las luces azul, verde y roja se combinan en cantidades variables para producir una sensación de color diferente que se conoce como colores aditivos primarios. Estas tres intensidades de luz se agregan por igual para generar la luz blanca.

Pero, para lograr esta combinación a través de una combinación de LED verdes, azules y rojos que necesitan un diseño electroóptico complicado para controlar la combinación y difusión de diferentes colores. Además, este enfoque puede resultar complicado debido a los cambios en el color del LED.

La línea de productos de LED blancos depende principalmente de un solo chip LED que utiliza un revestimiento de fósforo. Este revestimiento genera luz blanca una vez que atraviesa fotones ultravioleta, de lo contrario, azules. El mismo principio también se aplica a las bombillas fluorescentes: la emisión de luz ultravioleta de una descarga eléctrica dentro del tubo hará que el fósforo parpadee en blanco.

Aunque este proceso de LED puede generar diferentes matices, las diferencias se pueden controlar mediante tramado. Los dispositivos basados ​​en LED blancos se protegen mediante el uso de cuatro coordenadas de cromaticidad exactas que se encuentran adyacentes al centro del diagrama CIE.

El diagrama CIE describe todas las coordenadas de color alcanzables dentro de la curva de herradura. Los colores limpios se encuentran sobre el arco, pero la punta blanca está dentro del centro. El color de salida del LED blanco se puede representar a través de cuatro puntos que se representan en el medio del gráfico. A pesar de que las cuatro coordenadas del gráfico están cerca del blanco limpio, estos LED generalmente no son efectivos como una fuente de luz común para iluminar lentes de colores.

Estos LED son principalmente útiles para lentes blancos que de otro modo serían transparentes, retroiluminación opaca. Cuando esta tecnología siga progresando, los LED blancos ciertamente ganarán reputación como fuente e indicación de iluminación.

Eficacia luminosa

La eficacia luminosa de los LED se puede definir como el flujo luminoso producido en lm para cada unidad y la energía eléctrica se puede utilizar dentro de W. El orden de eficacia interna nominal del LED de color azul es de 75 lm / W Los LED ámbar tienen 500 lm / W y rojo Los LED tienen 155 lm / W. Debido a la reabsorción interna, las pérdidas se pueden tener en cuenta, el orden de eficacia luminosa varía de 20 a 25 lm / W para los LED verde y ámbar. Esta definición de eficacia también se conoce como eficacia externa y es análoga a la definición de eficacia que se utiliza normalmente para otros tipos de fuentes de luz como LED multicolor.

Diodo emisor de luz multicolor

Un diodo emisor de luz que produce un color una vez que se conectan en polarización directa y produce un color una vez que se conectan en polarización inversa se conoce como LED multicolor.

En realidad, estos leds incluyen dos uniones PN y la conexión de este se puede hacer en paralelo con el ánodo de uno que está vinculado al cátodo de otro.

Los LED multicolores son normalmente rojos una vez que se desvían en una dirección y verdes una vez que se desvían en otra dirección. Si este LED se enciende muy rápido entre dos polaridades, este LED generará un tercer color. Un LED verde o rojo generará una luz de color amarillo una vez que se cambie rápidamente hacia atrás y hacia adelante entre las polaridades de polarización.

¿Cuál es la diferencia entre un diodo y un LED?

La principal diferencia entre un diodo y un LED incluye lo siguiente.

Características I-V del LED

Hay diferentes tipos de diodos emisores de luz disponibles en el mercado y hay diferentes características de LED que incluyen luz de color, o radiación de longitud de onda, intensidad de luz. La característica importante del LED es el color. En el uso inicial de LED, existe el único color rojo. A medida que se incrementa el uso de LED con la ayuda del proceso de semiconductores y haciendo la investigación sobre los nuevos metales para LED, se formaron los diferentes colores.

Características I-V del LED

El siguiente gráfico muestra las curvas aproximadas entre la tensión directa y la corriente. Cada curva del gráfico indica un color diferente. La tabla muestra un resumen de las características de los LED.

Características del LED

¿Cuáles son los dos tipos de configuraciones de LED?

Las configuraciones estándar de LED son dos emisores similares y también COB

El emisor es un solo dado que se monta hacia una placa de circuito, luego a un disipador de calor. Esta placa de circuito proporciona energía eléctrica hacia el emisor, al mismo tiempo que extrae el calor.

Para ayudar a reducir los costos y mejorar la uniformidad de la luz, los investigadores determinaron que el sustrato del LED se puede separar y que la matriz única se puede montar abiertamente en la placa de circuito. Así que este diseño se llama COB (matriz de chip a bordo).

Ventajas y desventajas de los LED

los ventajas del diodo emisor de luz Incluya lo siguiente.

• El costo de los LED es menor y son pequeños.
• Mediante el uso de LED se controla la electricidad.
• La intensidad del LED difiere con la ayuda del microcontrolador.
• Larga vida
• Energía eficiente
• Sin período de calentamiento
• Escabroso
• No se ve afectado por las bajas temperaturas
• Direccional
• La reproducción cromática es excelente
• Amigable con el medio ambiente
• Controlable

los desventajas del diodo emisor de luz Incluya lo siguiente.

• Precio
• Sensibilidad a la temperatura
• Dependencia de la temperatura
• Calidad de luz
• Polaridad electrica
• Sensibilidad de voltaje
• Caída de eficiencia
• Impacto en insectos

Aplicaciones del diodo emisor de luz

Existen muchas aplicaciones de LED y algunas de ellas se explican a continuación.

• El LED se utiliza como bombilla en hogares e industrias.
• Los diodos emisores de luz se utilizan en motocicletas y automóviles.
• Se utilizan en teléfonos móviles para mostrar el mensaje.
• En el semáforo se utilizan señales LED

Por lo tanto, este artículo analiza una descripción general del diodo emisor de luz principio de funcionamiento del circuito y aplicación. Espero que al leer este artículo haya obtenido información básica y funcional del diodo emisor de luz. Si tiene alguna pregunta sobre este artículo o sobre el proyecto eléctrico del último año, no dude en comentar en la siguiente sección. Aquí hay una pregunta para ti, ¿Qué es LED y cómo funciona?