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Diodo emisor de luz o el tutorial de LED

Diodos

Son el tipo de diodo más visible, queemite un ancho de banda bastante estrecho de luz visible en diferentes longitudes de onda de color, luz infrarroja invisible para controles remotos o luz de tipo láser cuando una corriente directa pasa a través de ellos.

Los "Diodo emisor de luz”O LED como se llama más comúnmente, esbásicamente, solo un tipo especializado de diodo ya que tienen características eléctricas muy similares a las de un diodo de unión PN. Esto significa que un LED pasará corriente en su dirección hacia adelante, pero bloqueará el flujo de corriente en la dirección inversa.

Los diodos emisores de luz están hechos de una muy delgadacapa de material semiconductor bastante fuertemente dopado y dependiendo del material semiconductor utilizado y la cantidad de dopaje, cuando el LED polarizado hacia adelante emitirá una luz de color en una longitud de onda espectral particular.

Cuando el diodo está polarizado hacia delante, los electrones dela banda de conducción de los semiconductores se recombina con los agujeros de la banda de valencia que liberan suficiente energía para producir fotones que emiten una luz monocromática (un solo color). Debido a esta capa delgada, un número razonable de estos fotones puede abandonar la unión e irradiarse produciendo una salida de luz de color.

construcción de diodos emisores de luz

Construcción LED

Entonces podemos decir que cuando se opera en una dirección sesgada hacia adelante La luz emite diodos Son dispositivos semiconductores que convierten la energía eléctrica en energía luminosa.

La construcción de un diodo emisor de luz esmuy diferente de la de un diodo de señal normal. La unión PN de un LED está rodeada por una carcasa o cuerpo transparente transparente de resina epoxi de plástico con forma hemisférica que protege al LED de vibraciones y golpes.

Sorprendentemente, una unión de LED en realidad noemite esa cantidad de luz para que el cuerpo de resina epoxi se construya de tal manera que los fotones de luz emitidos por la unión se reflejen lejos de la base del sustrato circundante a la que se adjunta el diodo y se enfoquen hacia arriba a través de la parte superior abovedada del LED, que a su vez actúa como una lente que concentra la cantidad de luz. Esta es la razón por la que la luz emitida parece ser más brillante en la parte superior del LED.

Sin embargo, no todos los LED están hechos con unaCúpula de forma hemisférica por su concha epoxi. Algunos LED de indicación tienen una construcción de forma rectangular o cilíndrica que tiene una superficie plana en la parte superior o su cuerpo tiene forma de barra o flecha. En general, todos los LED se fabrican con dos patas que sobresalen de la parte inferior del cuerpo.

Además, casi todos los diodos emisores de luz modernoshaga que su cátodo, (-) terminal sea identificado por una muesca o una zona plana en el cuerpo o porque el cable del cátodo sea más corto que el otro, ya que el cable del ánodo (+) es más largo que el cátodo (k).

A diferencia de las lámparas incandescentes normales y las bombillas queCuando se ilumina, genera grandes cantidades de calor, el diodo emisor de luz produce una generación de luz "fría" que conduce a eficiencias más altas que la "bombilla" normal porque la mayor parte de la energía generada se irradia dentro del espectro visible. Debido a que los LED son dispositivos de estado sólido, pueden ser extremadamente pequeños y duraderos y proporcionar una vida de lámpara mucho más larga que las fuentes de luz normales.

Colores de diodos emisores de luz

Entonces, ¿cómo un diodo emisor de luz obtiene su color? A diferencia de los diodos de señal normales que se hacen para la detección o la rectificación de energía, y que están hechos de materiales semiconductores de silicio o germanio, La luz emite diodos están hechos de compuestos semiconductores exóticos talescomo Arseniuro de Galio (GaAs), Fosfuro de Galio (GaP), Fosfuro de Arseniuro de Galio (GaAsP), Carburo de Silicio (SiC) o Nitruro de Galio Indio (GaInN) todos mezclados en diferentes proporciones para producir una longitud de onda distinta del color.

Diferentes compuestos LED emiten luz en específico.Regiones del espectro de luz visible y por lo tanto producen diferentes niveles de intensidad. La elección exacta del material semiconductor utilizado determinará la longitud de onda total de las emisiones de luz del fotón y, por lo tanto, el color resultante de la luz emitida.

Colores de diodos emisores de luz

Características típicas de los LED
Semiconductor
Material
Longitud de onda Color VF @ 20mA
GaAs 850-940nm Infrarrojo 1.2v
GaAsP 630-660nm rojo 1.8v
GaAsP 605-620 nm Ámbar 2.0v
GaAsP: N 585-595 nm Amarillo 2.2v
AlGaP 550-570 nm Verde 3.5v
Sic 430-505nm Azul 3.6v
GaInN 450nm Blanco 4.0v

Por lo tanto, el color real de un diodo emisor de luzestá determinada por la longitud de onda de la luz emitida, que a su vez está determinada por el compuesto semiconductor real utilizado en la formación de la unión PN durante la fabricación.

Por lo tanto el color de la luz emitida por unEl LED NO está determinado por el color del cuerpo de plástico del LED, aunque estos están ligeramente coloreados para mejorar la salida de luz y para indicar su color cuando no está iluminado por un suministro eléctrico.

Los diodos emisores de luz están disponibles en una amplia gama de colores, los más comunes son ROJO, AMBAR, AMARILLO y VERDE, por lo que son ampliamente utilizados como indicadores visuales y como pantallas luminosas en movimiento.

LEDs de color azul y blanco desarrollados recientemente.también están disponibles pero tienden a ser mucho más caros que los colores estándar normales debido a los costos de producción de mezclar dos o más colores complementarios en una proporción exacta dentro del compuesto semiconductor y también inyectando átomos de nitrógeno en la estructura cristalina durante el dopaje proceso.

En la tabla anterior podemos ver que el principal dopante de tipo P utilizado en la fabricación de La luz emite diodos es galio (Ga, número atómico 31) y el dopante principal de tipo N utilizado es arsénico (As, número atómico 33) que proporciona el compuesto resultante de la estructura cristalina del arseniuro de galio (GaAs).

El problema con el uso de Gallium Arsenide en suComo el compuesto semiconductor es propio, irradia grandes cantidades de radiación infrarroja de bajo brillo (850nm-940nm aprox.) desde su unión cuando una corriente directa fluye a través de ella.

La cantidad de luz infrarroja que produce está bien.para los controles remotos de la televisión, pero no es muy útil si queremos usar el LED como luz indicadora. Pero al agregar Fósforo (P, número atómico 15), como tercer dopante, la longitud de onda total de la radiación emitida se reduce a menos de 680 nm, lo que da luz roja visible al ojo humano. Otros refinamientos en el proceso de dopaje de la unión PN han dado como resultado una gama de colores que abarcan el espectro de luz visible como hemos visto anteriormente, así como las longitudes de onda infrarrojas y ultravioletas.

Mezclando una variedad de compuestos de semiconductores, metales y gases, se puede producir la siguiente lista de LED.

Tipos de diodos emisores de luz

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

Al igual que los diodos de unión PN convencionales, los diodos emisores de luz son dispositivos dependientes de la corriente con su caída de tensión directa VF, dependiendo del compuesto semiconductor (sucolor claro) y en la corriente del LED polarizado hacia adelante. Los LED más comunes requieren un voltaje de funcionamiento directo de aproximadamente 1,2 a 3,6 voltios con una corriente nominal directa de aproximadamente 10 a 30 mA, siendo 12 a 20 mA el rango más común.

Tanto la tensión de funcionamiento hacia adelante como hacia adelantela corriente varía según el material semiconductor utilizado, pero el punto donde comienza la conducción y se produce la luz es de aproximadamente 1,2 V para un LED rojo estándar a aproximadamente 3,6 V para un LED azul.

La caída exacta de voltaje dependerá por supuesto deEl fabricante debido a los diferentes materiales dopantes y longitudes de onda utilizadas. La caída de voltaje a través del LED a un valor de corriente particular, por ejemplo 20mA, también dependerá de la conducción inicial VF punto. Como un LED es efectivamente un diodo, sus curvas de corriente directa a las características de voltaje se pueden trazar para cada color de diodo como se muestra a continuación.

Características de los diodos emisores de luz I-V.

diodo emisor de luz

Diodo emisor de luz (LED) Símbolo esquemático y curvas de características I-V
Mostrando los diferentes colores disponibles.

Antes de que un diodo emisor de luz pueda "emitir" cualquier formala luz necesita una corriente para fluir a través de ella, ya que es un dispositivo dependiente de la corriente con su intensidad de salida de luz que es directamente proporcional a la corriente directa que fluye a través del LED.

Como el LED se debe conectar en una condición de polarización directa a través de una fuente de alimentación, debe estar corriente limitada utilizando una resistencia en serie para protegerlo deFlujo excesivo de corriente. Nunca conecte un LED directamente a una batería o fuente de alimentación, ya que se destruirá casi instantáneamente porque pasará demasiada corriente y lo quemará.

En la tabla de arriba podemos ver que cada LED tienesu propia caída de tensión directa a través de la unión PN y este parámetro, determinado por el material semiconductor utilizado, es la caída de tensión directa para una cantidad específica de corriente de conducción directa, generalmente para una corriente directa de 20 mA.

En la mayoría de los casos, los LED se operan desde una fuente de CC de bajo voltaje, con una resistencia en serie, RS utilizado para limitar la corriente directa a un valor seguro de, por ejemplo, 5 mA para un indicador LED simple a 30 mA o más, donde se necesita una salida de luz de alto brillo.

Serie LED de resistencia.

El valor de resistencia en serie RS se calcula simplemente utilizando la Ley de Ohm, conociendo la corriente directa requerida IF del LED, la tensión de alimentación VS a través de la combinación y la caída de tensión delantera esperada del LED, VF en el nivel de corriente requerido, la resistencia limitadora de corriente se calcula como:

Circuito de resistencia de la serie LED

circuito de diodo emisor de luz

Diodo emisor de luz Ejemplo No1

Un LED de color ámbar con una caída de voltios hacia adelante deSe deben conectar 2 voltios a una fuente de alimentación de CC estabilizada de 5.0v. Usando el circuito anterior, calcule el valor del resistor en serie requerido para limitar la corriente directa a menos de 10 mA. También calcule la corriente que fluye a través del diodo si se usa una resistencia de la serie de 100Ω en lugar del calculado primero.

1). Resistencia en serie requerida a 10mA.

Resistencia de la serie de diodos emisores de luz

2). Con una resistencia de la serie 100Ω.

corriente led

Recordamos de los tutoriales de Resistores, queLas resistencias vienen en valores preferidos estándar. Nuestro primer cálculo anterior muestra que para limitar la corriente que fluye a través del LED a 10 mA exactamente, requeriríamos una resistencia de 300Ω. En la serie E12 de resistencias no hay una resistencia de 300Ω, por lo que tendríamos que elegir el siguiente valor más alto, que es 330Ω. Un nuevo cálculo rápido muestra que el nuevo valor actual de avance ahora es 9.1mA, y esto está bien.

Conectando LEDs juntos en serie

Podemos conectar los LED juntos en serie paraaumente el número requerido o aumente el nivel de luz cuando se usa en pantallas. Al igual que con las resistencias en serie, los LED conectados en serie tienen la misma corriente directa, yoF fluyendo a través de ellos como uno solo. Como todos los LED conectados en serie pasan la misma corriente, generalmente es mejor si son todos del mismo color o tipo.

Conexión de los LED en serie

leds conectados en serie

Aunque la cadena de la serie LED tiene la mismala corriente que fluye a través de ella, la caída de voltaje en serie a través de ellas debe considerarse al calcular la resistencia requerida de la resistencia limitadora de corriente, RS. Si asumimos que cada LED tiene una caída de voltaje cuando está iluminado de 1.2 voltios, entonces la caída de voltaje en los tres será de 3 x 1.2v = 3.6 voltios.

Si también asumimos que los tres LEDs deben seriluminado desde el mismo dispositivo lógico de 5 voltios o suministro con una corriente directa de aproximadamente 10 mA, la misma que la anterior. Entonces la caída de tensión a través de la resistencia, RS y su valor de resistencia se calculará como:

Resistencia limitadora de corriente led serie

Nuevamente, en la serie de resistencias E12 (tolerancia del 10%) no hay una resistencia de 140Ω, por lo que deberíamos elegir el siguiente valor más alto, que es de 150Ω.

Circuitos de controlador de LED

Ahora que sabemos qué es un LED, necesitamos de alguna manera.de controlarlo encendiendo "ON" y "OFF". Las etapas de salida de las compuertas lógicas TTL y CMOS pueden generar tanto una fuente como un sumidero de corriente, por lo que se pueden utilizar para controlar un LED. Los circuitos integrados normales (IC) tienen una corriente de control de salida de hasta 50 mA en la configuración del modo sumidero, pero tienen una corriente de salida limitada internamente de aproximadamente 30 mA en la configuración del modo fuente.

De cualquier manera, la corriente del LED debe limitarse aValor seguro utilizando una resistencia en serie como ya hemos visto. A continuación, se muestran algunos ejemplos de diodos emisores de luz de conducción que utilizan circuitos integrados invertidos, pero la idea es la misma para cualquier tipo de salida de circuito integrado, ya sea combinatoria o secuencial.

Circuito controlador de IC

circuito conductor llevado

Si más de un LED requiere conducir al mismo tiempo.el tiempo, como en los conjuntos de LED grandes, o la corriente de carga es alta para el circuito integrado o es posible que solo queramos usar componentes discretos en lugar de circuitos integrados, luego una forma alternativa de controlar los LED utilizando transistores NPN bipolares o PNP como interruptores se da a continuación. De nuevo como antes, una resistencia en serie, RS Se requiere limitar la corriente del LED.

Circuito del conductor del transistor

controlador de transistor led

El brillo de un diodo emisor de luz no puedeser controlado simplemente variando la corriente que fluye a través de él. Permitir que fluya más corriente a través del LED hará que brille más, pero también hará que disipe más calor. Los LED están diseñados para producir una cantidad fija de luz que opera a una corriente directa específica que varía de aproximadamente 10 a 20 mA.

En situaciones donde el ahorro de energía es importante,Menos actual puede ser posible. Sin embargo, reducir la corriente a menos de 5 mA puede atenuar su salida de luz demasiado o incluso apagar el LED por completo. Una forma mucho mejor de controlar el brillo de los LED es usar un proceso de control conocido como "Modulación de ancho de pulso" o PWM, en el cual el LED se enciende y se apaga repetidamente a diferentes frecuencias, dependiendo de la intensidad de luz requerida de el led.

Intensidad de luz LED utilizando PWM

control de luz pwm

Cuando se requieren salidas de luz más altas, un pulsola corriente modulada de ancho con un ciclo de servicio bastante corto (relación "ON-OFF") permite que la corriente del diodo y, por lo tanto, la intensidad de la luz de salida aumente significativamente durante los impulsos reales, mientras se mantienen los LED "nivel de corriente promedio" y la disipación de potencia dentro de límites de seguridad.

Esta condición de destello "ON-OFF" no afectalo que ve el ojo humano cuando "llena" los huecos entre los pulsos de luz "ENCENDIDO" y "APAGADO", siempre que la frecuencia del pulso sea lo suficientemente alta, haciéndolo aparecer como una salida de luz continua. Por lo tanto, los pulsos a una frecuencia de 100 Hz o más parecen más brillantes al ojo que una luz continua de la misma intensidad promedio.

Diodo emisor de luz multicolor

Los LED están disponibles en una amplia gama de formas,colores y varios tamaños con diferentes intensidades de salida de luz disponibles, siendo el LED estándar de fosfuro de arseniuro de galio rojo (GaAsP) de 5 mm el más común (y más económico de producir).

Los LED también están disponibles en varios "paquetes" organizados para producir letras y números, siendo el más común el de la disposición de "visualización de siete segmentos".

Hoy en día, se encuentran disponibles pantallas LED de pantalla plana a todo color, dispositivos de mano y televisores que utilizan una gran cantidad de LED multicolores, todos impulsados ​​directamente por su propio IC dedicado.

La mayoría de los diodos emisores de luz producen una solasin embargo, ahora hay disponibles LED de varios colores que pueden producir una gama de colores diferentes desde un solo dispositivo. La mayoría de estos son en realidad dos o tres LED fabricados en un solo paquete.

Diodos de emisión de luz bicolor

Un diodo emisor de luz bicolor tiene dos LEDsChips conectados juntos en "paralelo inverso" (uno hacia adelante, uno hacia atrás) combinados en un solo paquete. Los LED bicolores pueden producir cualquiera de los tres colores, por ejemplo, se emite un color rojo cuando el dispositivo está conectado con la corriente que fluye en una dirección y se emite un color verde cuando está sesgado en la otra dirección.

Este tipo de disposición bidireccional es útil.para dar una indicación de polaridad, por ejemplo, la conexión correcta de las baterías o las fuentes de alimentación, etc. Además, una corriente bidireccional produce ambos colores mezclados entre sí, ya que los dos LEDs la encenderían a su vez si el dispositivo estaba conectado (a través de un resistencia) a una tensión baja, baja frecuencia de alimentación AC.

Un LED bicolor

diodo emisor de luz multicolor
LED
Seleccionado
Terminal A C.A.
+ -
LED 1 EN APAGADO EN
LED 2 APAGADO EN EN
Color Verde rojo Amarillo

Diodo emisor de luz tricolor

El tipo más popular de emisión de luz tricolor.el diodo se compone de un solo LED rojo y uno verde combinados en un paquete con sus terminales de cátodo conectados entre sí, lo que produce un dispositivo de tres terminales. Se llaman LED tricolor porque pueden emitir un solo color rojo o verde al "ENCENDER" solo un LED a la vez.

Estos LED tricolores también pueden generarsombras adicionales de sus colores primarios (el tercer color), como el naranja o el amarillo, al “ENCENDER” los dos LED en diferentes proporciones de corriente directa como se muestra en la tabla, generando cuatro colores diferentes desde solo dos uniones de diodos.

Un LED Multi o Tricolor

led multicolor
Salida
Color
rojo naranja Amarillo Verde
LED 1
Corriente
0 5mA 9.5mA 15mA
LED 2
Corriente
10mA 6,5 mA 3.5mA 0

Pantallas LED

Así como color individual o multicolor.Los LED, varios diodos emisores de luz se pueden combinar en un solo paquete para producir pantallas como gráficos de barras, tiras, matrices y pantallas de siete segmentos.

Una pantalla LED de 7 segmentos proporciona unaUna forma conveniente cuando se decodifica correctamente de mostrar información o datos digitales en forma de números, letras o incluso caracteres alfanuméricos y, como su nombre lo indica, constan de siete LED individuales (los segmentos), dentro de un solo paquete de pantalla.

Para producir los números requeridos ocaracteres de 0 a 9 y de A a F respectivamente, en la pantalla se debe iluminar la combinación correcta de segmentos LED. Una pantalla LED estándar de siete segmentos generalmente tiene ocho conexiones de entrada, una para cada segmento de LED y una que actúa como un terminal o conexión común para todos los segmentos internos.

  • La pantalla de cátodo común (CCD) - En el comúnPantalla de cátodo, todas las conexiones de cátodo de los LED se unen y los segmentos individuales se iluminan mediante la aplicación de una señal ALTA, lógica "1".
  • La pantalla de ánodo común (CAD) - En el comúnpantalla de ánodo, todas las conexiones de ánodo de los LED están unidas y los segmentos individuales se iluminan conectando los terminales a una señal LOW, lógica "0".

Una pantalla LED típica de siete segmentos

pantalla de siete segmentos

Optoacoplador

Finalmente, otra aplicación útil de diodos emisores de luz es en Optoacoplamiento. Un optoacoplador u optoaislador como también lo esllamado, es un dispositivo electrónico único que consiste en un diodo emisor de luz combinado con un fotodiodo, un fototransistor o un fototriac para proporcionar una ruta de señal óptica entre una conexión de entrada y una conexión de salida mientras se mantiene el aislamiento eléctrico entre dos circuitos. .

Un optoaislador consiste en una prueba de luz.Cuerpo de plástico que tiene un voltaje de ruptura típico entre la entrada (fotodiodo) y el circuito de salida (fototransistor) de hasta 5000 voltios. Este aislamiento eléctrico es especialmente útil cuando se requiere que la señal de un circuito de bajo voltaje, como un circuito alimentado por batería, computadora o microcontrolador, opere o controle otro circuito externo que funcione a un voltaje de red potencialmente peligroso.

Foto-diodo y foto-transistor optoacopladores

led en opto-aislador

Los dos componentes utilizados en un optoaislador, unEl transmisor óptico, como un LED de arseniuro de galio y un receptor óptico, como un fototransistor, está acoplado ópticamente y utiliza la luz para enviar señales y / o información entre su entrada y salida. Esto permite que la información se transfiera entre circuitos sin conexión eléctrica o potencial de tierra común.

Los optoaisladores son dispositivos digitales o de conmutación, por lo que transfieren señales de control "ON-OFF" o datos digitales. Las señales analógicas se pueden transferir mediante modulación de frecuencia o de ancho de pulso.

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