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Electrónica para Bachillerato - Primer Módulo Adit ipsam inctore pa pres mi, ali quam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis reictibus. Ed ma cus cone conse nostis as susae
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100 Proyectos de electrónica Usando LEDs
Editorial
Bienvenidos
E S
nigma se complace una vez mas en presentar este proyecto. Un curso de aprendizaje interactivo y divertido para los entusiastas que deseen aprendrer a realizar proyectos de electrónica, sencilos e interesantes que son fáciles de contruir. i tienes alguna duda puedes ponerte en contacto conmigo a los correos en el directorio de esta revista o visitándonos en nuestra web.
Nociones Generales Un led (del acrónimo inglés LED, light-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’; el plural aceptado por la R AE es ledes ) es un componente optoelectrónico pasivo y, más concretamente, un diodo que emite luz.
Quias restiae volecatem. Et officius moluptatus. Simet everis eaque plibus. Vid enimoluptas nonsequo quo volest, sitaerovid quo blautecte nobit, comnimos sa venimentet Os ut faceped errorum iliaest offic tem.
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LED Según la Wikipedia, un led (del acrónimo inglés LED, light-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’; el plural aceptado por la RAE es ledes ) es un componente optoelectrónico pasivo y, más concretamente, un diodo que emite luz.
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Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Los primeros ledes emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta. Debido a sus altas frecuencias de operación son también útiles en tecnologías avanzadas de comunicaciones. Los ledes infrarrojos también se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores e innidad de aplicaciones de hogar y consumo doméstico. Electroluminiscencia La Electroluminescencia es un fenómeno óptico y eléctrico en el cual un material emite luz en respuesta a una corriente eléctrica que uye a
través de él, o por causa de la fuerza de un campo eléctrico. Debe distinguirse de la emisión de luz por causa de la temperatura (incandescencia), por causa de la acción de productos químicos (quimioluminiscencia) o de otros fenómenos que también pueden generar luz. Historia del Diodo Emisor de Luz (LED) La historia del LED y su desarrollo posterior ha transcurrido en paralelo al siglo XX. Ya en 1907, Henry Joseph Round, especialista en las comunicaciones por radio, descubre el efecto físico de la electroluminiscencia. Durante muchos años, su hallazgo pasó desapercibido por la comunidad cientíca. El primer diodo LED fue diseñado por Oleg Vladimirovich Losev (quien
fabricó un LED de óxido de cinc y carburo de silicio). Losev publicó los detalles de su trabajo en 1927, en una revista cientíca rusa, y abrió el camino a los posteriores descubrimientos. Pero se le considera como el padre del LED moderno, a Nick Holonyak quien inventó el primer LED que emitía en el espectro visible en 1962, cuando trabajaba para General Electric. Quince años más tarde, ya desde su cátedra en la Universidad de Illinois, descubriría el láser de punto cuántico, que abrió las puertas a las comunicaciones a través de la bra óptica, los reproductores de CD y numerosas aplicaciones en el mundo de la medicina. Respecto a la aplicación industrial del LED, fue en los años 60 y 70 cuando tuvo un gran desarrollo. En 1962, en paralelo al hallazgo de Holonyak, sale al mercado el primer diodo luminiscente rojo. Servía como indicador, ya que su luz todavía no era suciente para iluminar una gran supercie. No es hasta 1971 que están disponibles LED en otros colores: verde, naranja y amarillo. En la década de los 90, se desarrollaron los ultravioleta y azules, lo que permitió crear LED de luz blanca, a través de conversión luminiscente en 1995. Este hecho y la gran luminosidad conseguida lo convierte en un elemento muy útil en la iluminación. El LED es un elemento que ha estado y está en continuo desarrollo. Durante más de treinta años, ha sido utilizados como señalización e iluminación industrial, en productos de consumo como teléfonos inteligentes, televisiones, automóviles, ordenadores, señales de tráco o en el
ámbito de la decoración. Su ecacia sigue mejorando a gran velocidad y ya supera los 100 lm/W. Es de notar que muy difícilmente un LED se queme, si puede ocurrir que se ponga en cortocircuito o que se abra como un fusible e incluso que explote si se le hace circular una elevada corriente, pero en condiciones normales de uso un LED se degrada o sea que pierde luminosidad a una tasa del 5 % anual. Cuando el LED ha perdido el 50% de su brillo inicial, se dice que ha llegado al n de su vida útil y eso es lo que queremos decir cuando hablamos de vida de un LED. La vida de un LED Un rápido cálculo nos da que en un año hay 8760 horas por lo que podemos considerar que un LED de AlInGaP tiene una vida útil de más de 10 años. Como dijimos uno de factores fundamentales que atentan contra este número es la temperatura, tanto la temperatura ambiente como la interna generada en el chip, por lo tanto luego nos referiremos a técnicas de diseño de circuito impreso para bajar la temperatura. Explicaremos un detalle de mucha importancia respecto a los LEDs y Los LEDs son dispositivos que su construcción. Cuando se fabrica emiten luz cuando se les conecta a la el LED, se lo hace depositando por electricidad. capas a modo de vapores, los distintos materiales que componen el LED, Emiten distintos colores dependiendo estos materiales se depositan sobre del material del que fueron hechos. una base o sustrato que inuye en la dispersión de la luz. Los primeros leds de AlInGaP se depositaban sobre Algunos requieren un voltaje distinto, y sustratos de GaAs el cual absorbe la tienen una duración que depende del luz innecesariamente. material del que fueron hechos.
La Transparencia Un adelanto en este campo fue reemplazar en un segundo paso el sustrato de GaAs por uno de GaP el cual es transparente, ayudando de esta forma a que más luz sea emitida fuera del encapsulado. Por lo tanto este nuevo proceso dio origen al TS AlInGaP (Tranparent Substrate) y los AlInGaP originales pasaron a denominarse AS AlInGaP (Absorbent Susbtrate). Luego este mismo proceso se utilizo para los led de GaAlAs dando origen al TS GaAlAs y al As GaAlAs. Los Colores del Arcoiris En ambos casos, la eciencia luminosa se incrementaba típicamente en un factor de 2 pudiendo llegar en algunos casos a incrementarse en un factor de 10. Como efecto secundario de reemplazar el As por el TS se nota un pequeño viro al rojo en la frecuencia de emisión, generalmente menor a los 10nm. A nal de los 90 se cerró el circulo sobre los colores del arco iris, cuando gracias a las tareas de investigación del Shuji Nakamura, investigador de Nichia, una pequeña empresa fabricante de LEDs de origen japonés, se llego al desarrollo del LED azul, este LED siempre había sido difícil de conseguir debido a su elevada energía de funcionamiento y relativamente baja sensibilidad del ojo a esa frecuencia (del orden de los 460nm). Hoy en día coexisten varias técnicas diferentes para producir luz azul, una basada en el SiC Silicio – Carbono otra basada en el GaN Galio – Nitrógeno, otra basada en InGaN Indio-Galio-Nitrógeno sobre substrato de Zaro y otra GaN sobre sustrato SiC. El compuesto GaN, inventado por Nakamura, es actualmente el más
utilizado. Otras técnicas como la de ZnSe Zinc – Selenio ha sido dejadas de lado y al parecer el SiC seguirá el mismo camino debido a su bajo rendimiento de conversión y elevada degradación con la temperatura. El Color Blanco Dado que el azul es un color primario, junto con el verde y el rojo, tenemos hoy en día la posibilidad de formar el blanco con la combinación de los tres y toda la gama de colores del espectro, esto permite que los display gigantes y carteles de mensajes variables full color se hagan cada día más habituales en nuestra vida cotidiana. Es también posible lograr otros colores con el mismo material GaN, como por ejemplo el verde azulado o turquesa, de una frecuencia del orden de los 505 nm. Este color es importante ya que es el utilizado para los semáforos y entra dentro de la norma IRAM 2442 Argentina y VTCSH parte 2 americana y otras. Su tono azulado lo hace visible para las personas daltónicas. El daltonismo es una enfermedad congénita que hace a quien lo padece ser parcialmente ciego a determinadas frecuencias de color, generalmente dentro de ellas está la correspondiente al verde puro que tiene una frecuencia del orden de los 525 nm. Otros colores también son posibles de conseguir como por ejemplo el púrpura, violeta o ultravioleta. Este último es muy importante para la creación de una forma más eciente de producir luz blanca que la mera combinación de los colores primarios, ya que añadiendo fósforo blanco dentro del encapsulado, este absorbe la radiación ultravioleta y
emite frecuencia dentro de todo el espectro visible, logrando luz blanca en un proceso similar al que se produce en el interior de los tubos uorescentes. A veces el fósforo posee una leve tonalidad amarillenta para contrarrestar el tono azulado de la luz del semiconductor. Luego de tantos materiales y frecuencias de ondas seria bueno resumir todo esto en una forma mas clara, es por ello en la tabla 1.1 se detallan los distintos frecuencias de emisión típica de los LEDs comercialmente disponibles y sus materiales correspondientes. Los datos técnicos fueron obtenidos de distintos fabricantes. Es de notar que la resolución del ojo es del orden de los 3 a 5 nm según el color de que se trate. Para fnalizar
En resumen, luego de todo lo explicado, podemos concluir que hoy en día es posible conseguir LEDs en todo el espectro visible y más allá. Con una elevada vida útil, elevado brillo, alta eciencia lumínica y estándares de calidad de acuerdo a exigentes normas de nivel mundial. Su bajo consumo comparado con otras fuentes de luz incluso inferior a las lamparas de bajo consumo y tubos uorescentes, lo posiciona dentro del grupo de los productos ambientalmente amigables y ecológicos. Sumado a todo esto nos encontramos con que su precio y disponibilidad en el mercado lo hacen cada vez más asequible al publico en general e indicado para cada ves mas aplicaciones de uso cotidiano en el mundo del siglo XXI.
Tabla 1.1 Materiales y frecuencias de emisión típicas de un LED Frecuencia
Color
Material
940 890 700 660 640 630 626 615 610 590 590 565 565 525 525 505 498 480 450 430 425 370
Infrarrojo Infrarrojo Rojo profundo Rojo profundo Rojo Rojo Rojo Rojo – Naranja Naranja Amarillo Amarillo Verde Verde Verde Verde Verde turquesa Verde turquesa Azul Azul Azul Azul Ultravioleta
GaAs GaAlAs GaP GaAlAs AlInGaP GaAsP/GaP AlInGaP AlInGaP GaAsP/GaP GaAsP/GaP AlInGaP Gap Gap InGaN GaN
Frecuencias de ondas Seria bueno resumir todo esto en una forma mas clara, es por ello en la tabla 1.1 se detallan los distintos frecuencias de emisión típica de los leds comercialmente disponibles y sus materiales correspondientes. Los datos técnicos fueron obtenidos de distintos fabricantes. Es de notar que la resolución del ojo es del orden de los 3 a 5 nm según el color de que se trate. Concepto de LED Un diodo LED es básicamente una juntura de silicio P-N de un diodo semiconductor diseñado para emitir luz visible y como vimos anteriormente,
InGaN/Zafro
InGaN/Zafro
SiC InGaN/Zafro
GaN InGaN/Zafro
GaN
vienen en muchos colores. Existen los diodos que emiten luz infrarroja que no podemos ver a simple vista, pero si lo vemos a través de un visor electrónico como una cámara digital, podemos ver el destello. Cuando unimos Silicio N y Silicio P, tenemos una juntura semiconductora P-N este es el dispositivo semiconductor mas simple y es conocido con el nombre de diodo y es la base de toda la electrónica moderna. El diodo permite la circulación de corriente en un sentido pero no en el sentido contrario tal como sucede en los molinetes de subte con las personas.
Cuando conectamos el diodo a una batería con el terminal P al borne negativo y el terminal N al borne positivo (lo conectamos en inversa) tenemos que en el primer caso los huecos son atraídos por los electrones que provienen del terminal negativo de la batería y ese es el n de la historia. Lo mismo sucede del lado N, los electrones libres son atraídos hacia el terminal positivo. Por lo tanto no circula corriente por la juntura ya que electrones y agujeros se movieron en sentido contrario (hacia los terminales del diodo) Si damos vuelta el diodo (lo conectamos en directa), tenemos que los electrones libres del terminal N se repelerán con los electrones libres del terminal negativo de la batería por lo que los primeros se dirigirán a la zona de juntura. En el terminal positivo tenemos que los huecos del terminal P se repelerán con los huecos del terminal positivo de la batería por lo tanto los huecos del semiconductor se dirigirán a la juntura. En la juntura los electrones y los huecos se re-combinan formando así una corriente que uirá en forma permanente. Un diodo real cuando se conecta en reversa tiene una pequeña corriente de perdida del orden de los 10 micro amperios que se mantiene aproximadamente constante mientras la tensión de la batería no supere un determinado nivel, luego del cual la corriente crece abruptamente, esta zona se llama zona de ruptura o avalancha. Generalmente esta zona queda fuera de las condiciones normales de funcionamiento. Hay que mencionar que dicha
Figura 1.1 corriente inversa es casi linealmente dependiente de la temperatura. Cuando el diodo se conecta en directa veremos que sobre sus extremos se produce una caída de tensión del orden de los 0.6 voltios para los diodos de silicio normales. Esta caída de tensión es un reejo de la energía necesaria para que los electrones salten la juntura y es característica de cada material. Este valor es conocido como potencial de salto de banda (band gap) Tenemos entonces que para sacar un electrón de su orbita necesitamos energía y que esta se pierde en el transcurso de su recorrido dentro del diodo, esta energía se transforma en radiación, básicamente calor u ondas infrarrojas en un diodo normal. De diodos a L.E.D.s Como dijimos, si la energía que se necesita es pequeña, se tendrá que dicha energía se emitirá en ondas infrarrojas de relativamente baja frecuencia, si el material necesitara mas energía para que se produzca el paso de la corriente, las ondas que emitirá el diodo tendrían mas energía y se pasaría de emitir luz infrarroja a roja, naranja, amarilla, verde, azul, violeta y ultravioleta. O sea el diodo emitiría luz monocromática en el espectro visible y más allá. Ya tenemos el LED. Por supuesto a más alta frecuencia mayor será la caída de tensión por lo que pasaremos de 0.6v de caída para un diodo normal a 1,3 v para un LED infrarrojo, 1,8 v. para un LED rojo, 2,5 v. para uno verde, y 4,3v. para un LED azul y más de 5v. para un LED ultravioleta.
Estas distintas longitudes de ondas se forman combinando distintas proporciones de materiales, los mismos que se enumeraron al inicio. Simbología de un LED El diodo LED se identica por el símbolo de un diodo con la particularidad que va encerrado en ocasiones, un círculo y siempre, dos echas pequeñas hacia arriba ya la derecha indicando luminidad. Características Eléctricas de un LED Como lo dijimos anteriormente, un LED es similar a un diodo con la diferencia que éste emite luz. El voltaje sobre un LED común de color rojo es de 1.6 voltios de corriente directa, aunque pueden haber de 2 voltios también. Mientras que un LED de color verde puede encender a 2.4 voltios.
emite es proporcional a la cantidad de corriente que pase en el LED mismo. Esto signica que la cantidad de luz se incrementa mientras más corriente le demos al LED. Operando un LED a la Corriente Directa No es recomendable conectar un LED a una Corriente Directa (DC por siglas en inglés) Es necesario emplear una resistencia en serie con el LED para proteger la integridad del LED, porque si no se protege, limitando la corriente eléctrica, podemos causar un daño permanente al LED (se quema). El LED debería de encender desde los 1.6 voltios a los 2.0 voltios aproximadamente y en ocasiones la corriente eléctrica que hay en los componentes, suele ser mayor, por tal motivo es que se utilizan resistencias
Esta diferencia se compensa con una resistencia como se puede notar en la gura 1.2 El LED produce luz cuando la corriente directa uye en la dirección correcta y la cantidad de luz que el LED Figura 1.2
que limitan la corriente hacia el LED. Calcular la Resistencia El valor de la resistencia se puede calcular empleando una fórmula y asumiendo que el valor en voltios del LED es de 1.6 voltios. La siguiente expresión puede ser usada para calcular la resistencia en un circuito:
R = (Vs - Vf) / If Donde: R es la resistencia en serie requerida cuyo valor se calcula en Ohmios
Como consejo, el LED debería de brillar correctamente en los quipos electrónicos a 25 mA o un poquito más. Generalmente se usan los LEDs para indicar que algún equipo se encuentra encendido o en modo de ESPERA (es el modo Standby en inglés) Operando un LED a la Corriente Alterna El LED puede ser operado empleando una fuente de voltaje de corriente alterna, de igual forma se requiere de una resistencia limitadora, con la única indicación de colocar la mitad del valor de la resistencia puesto que la corriente alterna lleva dos corrientes senoidales.
Vs es la corriente Directa en Voltios Vf es la caída de tensión directa If es el amperaje deseado en la corriente eléctrica. Como ejemplo, el LED opera a 20 mA y el voltaje de caída es de 1.6 voltios. La fuente de poder es una batería de 6 voltios. Entonces el valor de la resistencia (R) es de:
R = (6 - 1.6) / .02 La respuesta sería de: 220 Ohmios Porque 6 - 1.6 = 4.4 y si lo dividimos entre 0.02 nos da 220 Para una batería de 9 Voltios de corriente directa, la resistencia puede ser de 390 Ohmios en una intensidad (amperaje) de 15mA. Y debido a que no es crítico el nivel de resistencia, podemos emplear una tolerancia desde el 5% (banda dorada) hasta un 10% (banda plateada) con un 1/4 de Watt de potencia a disipar.
Además de tener una resistencia limitadora de corriente en serie, el LED requiere protección contra la tensión inversa excesiva debido a su tensión inversa muy baja, por lo tanto, es muy importante utilizar diodos de protección de silicio al emplear los LEDs con circuitos de conducción de AC. El LED que opera en (6 voltios) en corriente alterna fuente se muestra en la gura. 1.3
Aquí se observará que el circuito de conducción del LED utiliza una resistencia en serie y un diodo de jación en derivación a través del LED en paralelo inverso. Este diodo recticador protege el LED de la excesiva tensión de pico inverso que es muy baja en el caso de un LED.
