Los
LEDs son diodos que emiten luz cuando son conectados a un circuito.
Su
uso es frecuente como luces “piloto” en aparatos electrónicos para indicar
si el circuito está cerrado.
Los
elementos componentes son transparentes o coloreados, de un material
resina-epoxi, con la forma adecuada e incluye el corazón de un LED: el chip
semiconductor.
Los
terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e indican cómo
deben ser conectados al circuito.
El lado negativo está indicado de dos formas: 1) por la cara plana del foco o,
2) por el de menor longitud. El terminal negativo debe ser conectado al terminal
negativo de un circuito.
Los LEDs operan con un voltaje relativamente bajo,
entre 1 y 4 volts, y la corriente está en un rango entre 10 y 40 miliamperes.
Voltajes y corrientes superiores a los indicados pueden derretir el chip del
LED. La parte más importante del “light emitting diode” (LED) es el chip
semiconductor localizado en el centro del foco, como se ve en la figura.
El
chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región p está dominada
por las cargas positivas, y la n por las negativas. La juntura actúa como una
barrera al paso de los electrones entre la región p y la n; sólo cuando se
aplica el voltaje suficiente al chip puede pasar la corriente y entonces los
electrones pueden cruzar la juntura hacia la región p.
Si
la diferencia de potencial entre los terminales del LED no es suficiente, la
juntura presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.
¿Qué causa la emisión de
luz de un LED y qué determina el color de la luz?
Cuando
se aplica una tensión al chip del LED los electrones pueden moverse fácilmente sólo
en una dirección a través la juntura entre p y n. En la región p hay muchas cargas positivas y pocas
negativas. En cambio en la región n hay más cargas negativas que positivas.
Cuando se aplica tensión y la corriente empieza a fluir, los electrones en la
región n tienen suficiente energía para cruzar la juntura hacia la región p. Una vez en ésta, los electrones son inmediatamente atraídos hacia las
cargas positivas, de acuerdo a la ley de Coulomb, que dice que fuerzas opuestas
se atraen. Cuando un electrón se mueve lo suficientemente cerca de una
carga positiva en la región p, las dos cargas se recombinan.
Cada
vez que un electrón se recombina con una carga eléctrica positiva, energía eléctrica
potencial es convertida en energía electromagnética. Por cada una de estas recombinaciones un quantum de energía electromagnética
es emitido en forma de fotón de luz con una frecuencia que depende del material
semiconductor. Los fotones son
emitidos en un rango de frecuencia muy estrecho que depende del material del
chip; el color de la luz difiere según los materiales semiconductores y
requieren diferentes tensión para encenderlos.
¿Cuánta
energía libera un LED?
La
energía eléctrica es proporcional a la tensión que se necesita para hacer que los
electrones fluyan a través de la juntura p-n. Son predominantemente de un solo color de luz. La energía (E) de la luz emitida por un LED está
relacionada con la carga eléctrica (q) de un electrón, y el voltaje (v)
requerido para encenderlo se obtiene mediante la expresión E= q x V . Esta
expresión dice simplemente que el voltaje es proporcional al la energía eléctrica
y es una regla general que se aplica a cualquier circuito, como el LED. La
constante q es la carga eléctrica de un solo electrón: - 1,6 x 10 exp –19 Coulomb.
ENCONTRANDO LA ENERGÍA
DESDE LA TENSIÓN
Supongamos
que se ha medido el voltaje a través de los terminales del LED, y Ud. desea
averiguar la energía necesaria para prender al LED. Supongamos que tiene un LED rojo y que la tensión entre los
terminales es de 1,71 volts; la energía requerida para prender el LED es E= q x
V ó
E= -1,6 x 10
exp –19. 1,71 Joule, dado que
Coulomb / Volt es un Joule. La
multiplicación de estos números nos dan E=
2,74 x 10 exp –19 Joule.
ENCONTRANDO LA FRECUENCIA
DESDE LA LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ
La
frecuencia de la luz está relacionada con la longitud de onda de luz de una
manera muy simple. El espectrómetro
puede ser usado para examinar la luz de un LED, y para estimar el pico de la
longitud de onda emitido por el LED. Pero preferimos tener la frecuencia de la
intensidad pico de la luz emitida por el LED. La longitud de la onda está relacionada con la frecuencia de la luz por
la fórmula
F = c
/ v , donde c el la velocidad de la luz y v es la longitud de onda de la
luz leída desde el espectrómetro (en unidades de nanómetros, es decir, la
millonésima parte de un milímetro).
Supongamos
que observó un LED rojo con el espectrómetro y vio que el LED emite un rango
en colores con un máximo de intensidad de acuerdo con la longitud de onda leída
en el espectrómetro de = 660 nm.
La frecuencia correspondiente a la emisión del LED
rojo es de 4,55 x 10 exp 14 Hertz. La unidad de un ciclo de una onda en un segundo (ciclos por segundo) es
un Hertz.
Información básica sobre los
LED
La
mayoría de las características de los LED s están especificada para una
corriente de 20 mA, si uno no está seguro de obtener 20 mA en la función de la
conductividad del calor en la plaqueta más el calor del LED, variaciones de
calor y corriente, conviene diseñar todo para 15 mA.
- Cómo lograr 15 mA a través del
LED:
Primero
se necesita saber la caída de tensión en el LED. Se puede asumir con
suficiente seguridad 1,7 V para rojo no muy brillante, 1,9 V para alto brillo, alta
eficiencia y rojo de baja corriente, y 2V para naranja y amarillo; 2,1 V para
verde, 3,4 V para blanco brillante, verde brillante sin amarillo y la mayoría
de los azules, 4,6 V para azul brillante de 430 nm. En general se diseña para 12 mA para los tipos de 3,4 V y 10
mA para el azul de 430 nm.
Se
puede diseñar una fuente que entregue mayor corriente si se está seguro de una
excelente disipación de calor en el conjunto. En este caso asigne 25 mA a los LED de cerca de 2V, 18 mA para los de 3,4 V y 15
mA para el azul de 430 nm.
En
condiciones óptimas de disipación de calor se puede hacer circular una
corriente mayor pero la vida útil del LED se reducirá al 50% del normal:
20.000 a 100.000 horas. En cuanto al voltaje debe estar algo por arriba de lo
asignado para los LED s. Use por lo menos 3 V para los de bajo voltaje, 4,5 V para los de 3,4 V y 6 V para el azul de 430 nm.
El
próximo paso es restar el voltaje de los LED s de la fuente; esto le da la caída
de voltaje que se logra mediante una resistencia. Ej.: 3, 4 V del LED con una
fuente de 6 V. haciendo la resta da
2,6 V de caída que debe ser producida por la resistencia.
El
próximo paso consiste en dividir la caída de voltaje por la corriente del LED,
obteniéndose así el valor de la resistencia; al dividir V / A se obtiene un valor de resistencia en ohms. Si se divide V / mA la resistencia se
obtiene en K ohms.
Otro
paso a seguir es determinar la potencia de la resistencia. Multiplique la caída
de voltaje por la corriente del LED para obtener la potencia de la resistencia.
No
ponga los LED s en paralelo entre sí; si bien ésto funciona no es confiable
porque los LED s se vuelven más conductores a medida que aumenta su
temperatura, con lo que se vuelve inestable la distribución de la corriente. Cada LED debe tener su propia resistencia.
RESUMIENDO:
la tensión de arranque de un LED depende del color que deban emitir, teniendo
en cuenta los materiales de los que están hechos, que se eligen de acuerdo al
color. |
