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Electrónica Analógica| II Año | Grupo 1 *Edgard Vicente Garc ía Sarria *Isidro José Olivas Chévez *David Alejandro Pereira Pineda

*Marcos Aurelio Salmeró n Ché vez *José Marcelo Velá squez Coka

Introducción Los diodos son componentes electrónicos que permiten el paso de la corriente en un solo sentido, en sentido contrario no dejan pasar la corriente (como si fuera un interruptor abierto). Un diodo Led es un diodo que además de permitir el paso de la corriente en un solo sentido, en el sentido en el que la corriente pasa por el diodo, este emite luz. Cuando se conecta un diodo en el sentido que permite el paso de la corriente se dice que está polarizado directamente.

Un diodo Led es un diodo que cuando está polarizado directamente emite luz. Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color. Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs. El LED tiene enormes ventajas sobre las lámparas comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y una vida aproximada de 100,000 horas.

El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. _________________________________________________________ El diodo LED| Electrónica Analógica

El diodo led La estructura del chip de los diodos LED, al contrario de lo que ocurre con los diodos comunes, no emplea cristales de silicio (Si) como elemento semiconductor, sino una combinación de otros tipos de materiales, igualmente semiconductores, pero que poseen la propiedad de emitir fotones de luz de diferentes colores cuando lo recorre una corriente eléctrica. Un diodo LED emisor de luz roja, por ejemplo, emplea un chip compuesto por arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), mientras que para emitir luz azul utiliza un chip de nitruro de galio (GaN). Todas las combinaciones empleadas en la fabricación del chip de un diodo LED, poseen también dos polaridades o regiones diferentes: una negativa “N” correspondiente al cátodo y otra positiva “P” correspondiente al ánodo, al igual que ocurre con los diodos comunes de silicio (Si). Para crear un diodo LED se unen también dos regiones “N” y “P”, como si de un diodo común se tratara. En el punto de unión o juntura de esas dos regiones se forma, igualmente, una barrera de potencial, cuya función es impedir el paso de los electrones desde la región negativa “N” hacia la positiva “P” cuando no se encuentran debidamente polarizados y los electrones no poseen la suficiente energía para poder atravesarla. Cuando aplicamos a los extremos del LED una tensión o voltaje que permita polarizarlo directamente, los electrones provenientes de la fuente de suministro de corriente directa (C.D.) comienzan a fluir a través del diodo. Bajo esas condiciones, cada vez que un electrón en exceso con carga negativa ( –) presente en la región “N” adquiere la suficiente energía como para poder vencer la resistencia que le ofrece la barrera de potencial, la atraviesa y se combina con un hueco positivo en exceso en la región “P”. En el mismo instante que ocurre esa combinación, la energía en exceso que adquirió dicho electrón para poder atravesar la barrera de potencial, se transforma en energía electromagnética, que libera, en ese preciso momento, en forma de fotón de luz. _________________________________________________________ El diodo LED| Electrónica Analógica

La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP). Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color. (Ver la tabla). Debe de calcularse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs. El LED tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocarle en paralelo y apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común.

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Estructura Interna de un LED común Un diodo LED común se compone de las siguientes partes: 1.- Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi, que hace también función de lente convexa. La existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en una sola dirección. 2.- Cápsula de resina epoxi protectora del chip. 3.- Chip o diodo semiconductor emisor de luz. 4.- Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip emisor de luz. 5.- Base redonda de la cápsula de resina epoxi. Esta base posee una marca plana situada junto a uno de los dos alambres de conexión del LED al circuito externo, que sirve para identificar el terminal negativo ( –) correspondiente al cátodo del chip. 6.- Alambre terminal negativo ( –) de conexión a un circuito eléctrico o electrónico externo. En un LED nuevo este terminal se identifica a simple vista, porque siempre es más corto que el terminal positivo. 7.- Alambre terminal positivo (+) correspondiente al ánodo del chip del diodo, que se utiliza para conectarlo al circuito externo. 8.- Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el terminal positivo (+) y con el ánodo del chip.

Estructura interna del chip de un diodo LED. En esta ilustración el chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento semiconductor. Aquí la corriente de electrones “I” que parte del polo negativo (–) de la batería “B”, penetra en el diodo LED por el cátodo (negativo), correspondiente a la región “N”. Cuando a este chip se le aplica un voltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los electrones adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones que lo componen. Desde el mismo momento que la batería “B” suministra _________________________________________________________ El diodo LED| Electrónica Analógica

a los electrones la energía suficiente para vencer la oposición que les ofrece a su paso la barrera de potencial que se crea en el punto de unión o juntura que limita las dos regiones del diodo, estos pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la región “P” (positiva). Acto seguido los electrones continúan su recorrido por esa otra parte del diodo, circulan por el circuito externo, atraviesan la resistencia limitadora de corriente “R” y alcanzan, finalmente, el polo positivo (+) de la batería o fuente de energía de corriente directa, completando así su recorrido por todo el circuito. Una vez que los electrones comienzan a circular por el interior del diodo, en el mismo momento que cada uno de ellos atraviesa la barrera de potencial y se une a un hueco en la región “P”, el exceso de energía extra previamente adquirida procedente de la batería la libera en forma de fotón de luz. En el caso del diodo LED de este ejemplo, la luz emitida será ultravioleta (UV), invisible al ojo humano, por ser nitruro de galio (GaN) el componente químico del material semiconductor que compone este chip. Este es el símbolo que se usa para los diodos led en los esquemas eléctricos, donde el ánodo será la patilla larga. El funcionamiento es muy sencillo. Cuando conectamos con polarización directa el diodo led el semiconductor de la parte de arriba permite el paso de la corriente que circulará por las patillas (cátodo y ánodo) y al pasar por el semiconductor, este semiconductor emite luz.

Led de Muchos Colores o RGB Los led RGB son diodos que tienen 3 semiconductores cada uno con un color diferente. Los colores son los colores primarios el rojo, el verde y el azul. Si controlamos esta mezcla de colores, podemos obtener una gama inmensa de colores en los leds. Para controlar los colores solo hace falta hacer pasar más o menos corriente por uno u otro semiconductor. Por ejemplo si solo pasa corriente por el rojo y por el verde el color que obtenemos será el amarillo. _________________________________________________________ El diodo LED| Electrónica Analógica

¿Cual es la Ventaja de los Diodos Led?

La primera es que consumen menos energía que las lámparas convencionales. ¿Por qué?. Las bombillas normales emiten luz pero también calor. El calor es energía que perdemos (lo que queremos es luz no calor). Bien pues los leds también pierden en forma de calor energía pero en cantidades mucho menores. Esto hace que casi toda la energía que consuman se utilice en dar luz y no calor, con el consiguiente ahorro. El 80% de la energía que consume un led se transforma en luz sin embargo las bombillas convencionales solo transforman el 20% de lo que consumen en luz, todo lo demás se vuelve calor. Otra ventaja es que el tiempo de duración es mucho mayor. Mientras que una bombilla normal cuenta con una vida útil de unas 5.000 horas la vida útil de un LED es superior a las 100.000 horas de luz, estamos hablando de 11 años de continua emisión lumínica. CALENTAMIENTO DE LOS DIODOS LED

En los diodos LEDs más comunes de poca potencia, la emisión de fotones que se produce en la unión o juntura P-N del chip desprende muy poca cantidad de calor, la que normalmente se disipa a través de la propia cápsula o envoltura de resina epoxi que recubre y sirve de protección al propio chip. Esa poca emisión de calor también se disipa a través de los dos alambres que se emplean para conectar el LED al circuito eléctrico o electrónico. Sin embargo, los LED de alta potencia luminosa utilizados para alumbrado en general, se calientan mucho más en el punto de unión o juntura de las regiones “P” y “N”, por lo que para mantener esas lámparas a una temperatura de funcionamiento adecuada necesitan estar dotadas de un disipador externo de calor. Como el chip de un LED se puede dañar por sobrecalentamiento, la potencia luminosa de aquellos que deben trabajar de forma continua no deben superar los 150 lúmenes. Los que sobrepasen esa cantidad deberán poseer disipador de calor para poder funcionar ininterrumpidamente sin presentar problemas.


El tiempo de vida útil de un LED se calcula, teóricamente, entre 30 mil y 50 mil horas como máximo, lo cual depende de varios factores, principalmente de la calidad de los materiales empleados en su fabricación y de su correcta utilización.

La siguiente tabla muestra un cálculo de los años de servicio que, teóricamente, debe proporcionar un diodo LED, de acuerdo con las horas de uso al día, suponiendo que realmente su vida útil pueda alcanzar las 50 mil horas.

Años de vida

Horas de uso diarias

1

137,0

2

68,5

4

34,2

6

22,8

8

17,1

12

11,4

24

5,7

COLOR Y TEMPERATURA DE COLOR EN GRADOS KELVIN (ºK) DE UN DIODO LED

Para obtener directamente luz de diferentes colores, los diodos LED se fabrican con una gran variedad de combinaciones de materiales semiconductores como son, por ejemplo: arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), fosfuro de galio (GaP), fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), nitruro de galio e indio (GaInN) y otras combinaciones más. _________________________________________________________ El diodo LED| Electrónica Analógica

Izquierda.- Lámpara LED multicolor diseñada para su empleo en la iluminación nocturna del agua de las piscinas. Esta lámpara se compone de múltiples triadas de diodos LEDs de colores primarios (RGB), que cuando se iluminan la mezcla de sus luces se percibe de diferentes colores, según sea la variación de la intensidad luminosa de cada LED en un momento dado. La lámpara que aparece en esta foto funciona con 12 volt (V) de corriente alterna (C.A.) y tiene un consumo de energía eléctrica de 25 watt. La parte frontal posee un diámetro de 16,5 cm y un fondo de 13,5 cm, incluyendo un casquillo normal de rosca Edison (E-27). Derecha.- Fragmento de la parte frontal de la misma lámpara, donde se puede observar la disposición de las triadas de diodos LED, cuando se encuentra apagada.

Piscina iluminada de noche con lámparas LED multicolor.

Hasta ahora ninguna combinación de materiales semiconductores proporciona directamente luz blanca. Para obtenerla se emplean dos técnicas diferentes: una de ellas emplea una triada de LEDs de colores primarios RGB ( Red-Green-Blue _________________________________________________________ El diodo LED| Electrónica Analógica

/ rojo-verde-azul), o lo que es igual, múltiples grupos de tres LEDs que emiten, de forma independiente, esos tres colores que al mezclarse el ojo humano los percibe como luz blanca, o con diferentes tonalidades de colores, cosa que ocurre al variar, de forma independiente, la intensidad luminosa de cada grupo de LED emisor de luz de un mismo color.

Otra técnica utilizada para obtener luz blanca es por medio de un solo LED que normalmente emite luz azul o cercana al ultravioleta. Para obtener luz blanca de ese LED, su chip se recubre con una capa de fósforo que absorbe o filtra la luz azul que éste emite. Cuando esa capa de fósforo es gruesa tiene un color amarillo obscuro (ocre) y en ese caso nuestro sentido de la vista percibe la luz que emite el chip como “cálida” (warm light) , equivalente a la de una lámpara halógena. Por el contrario, cuando la capa de fósforo es más delgada, su color es amarillo claro, por lo que filtra menos la componente de luz azul que emite el chip. En ese caso la luz se percibe como “blanca fría” (cool light) , similar a la de una lámpara fluorescente tradicional de tubo recto o circular, o una CFL de similares características. A la luz cálida le corresponde, generalmente, una temperatura de color por debajo de los 3 400 K (kelvin), mientras que a la luz fría o de tonos azulados le corresponde una temperatura de color por encima de los 3 600 K. Como aclaración y para evitar confusiones, la temperatura de color en grados kelvin (K) no guarda ninguna relación con la sensación de frío o calor que percibe el cuerpo humano al variar la temperatura ambiente, sino que sólo responde a la forma en que el ojo humano percibe los colores, a saber: los tonos azules y violáceos como “fríos”, mientras que los amarillos y rojizos como “cálidos”, de la misma forma que se considera en pintura.


Cambio de tonalidad de la luz, según varían los kelvin (K) correspondientes a la temperatura de color. En la ilustración podemos observar que hacia la izquierda la luz es más cálida, llegando a alcanzar un tono rojizo a medida que disminuyen los kelvin, mientras que hacia la derecha la luz se hace más fría, llegando a adquirir un tono azulado a medida que aumentan los kelvin.

Por norma general, la intensidad de luz que emiten las lámparas incandescentes, halógenas y de otros tipos de uso común en alumbrado se puede determinar, de forma aproximada, conociendo los watt de consumo eléctrico de cada una. Sin embargo, en el caso de las lámparas LED es más importante conocer, en primer lugar, los lúmenes de flujo luminoso que emite cada una en particular antes que su potencia de consumo eléctrico en watts (W). Por ejemplo, una lámpara LED de 3,5 watt de consumo eléctrico que emite “luz cálida” (warm light) , puede tener un flujo luminoso de 170 lúmenes (lm), mientras que la misma lámpara diseñada para emitir “luz fría” (cool light) puede tener un flujo luminoso más intenso, por ejemplo de 210 lúmenes, e iluminar con mayor intensidad. Esa diferencia se debe a que al ser más gruesa la capa de fósforo que recubre el chip de la primera lámpara para obtener luz cálida, absorbe más componente de luz azul, mientras que en el caso de la segunda, al ser más delgada dicha capa, filtra menos la componente de luz azul. Sin embargo, el consumo de potencia eléctrica en watts es el mismo (3,5 W) para ambas lámparas, a pesar de la diferencia apreciable en lúmenes de flujo luminoso que emite cada una de éstas. Además de lo recomendable que resulta a la hora de adquirir una lámpara LED de alta potencia luminosa conocer cuál es su flujo luminoso en lúmenes en lugar _________________________________________________________ El diodo LED| Electrónica Analógica

de los watts de energía eléctrica que consume, es necesario conocer también a cuántos kelvin corresponde la temperatura de color de la luz que emite para poder escoger entre una que emita luz cálida u otra que emita luz fría. Estos datos deben aparecer normalmente impresos en el blíster o empaque de la lámpara cuando la adquirimos en la tienda. No obstante, en algunos casos en lugar de lúmenes lo que aparece reflejada, a modo de comparación, es la equivalencia en watt de consumo que tendría una lámpara halógena con una potencia luminosa similar a la que emite ese LED.

Muestra de lámparas LED con diferentes tipos de casquillos y conectores: A.- Casquillo de rosca Edison (E-27). B.- Casquillo de rosca candelabro (E14). C.- Conector GU10. [Estas tres primeras lámparas se fabrican para trabajar con 110 volt, o con 220 volt de corriente alterna (C.A.)]. D.- Conector GU5.3, para trabajar con 12 volt de corriente alterna.

Al igual que las halógenas, las lámparas LED de alta potencia luminosa se fabrican con casquillos de rosca Edison (E-27), rosca candelabro (E-14), o con otros tipos de conectores, tanto para trabajar con 12, 110 ó 220 volt (V) de corriente alterna (C.A.).



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