Qué es un diodo emisor de luz: cómo funciona 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 trabajaba para General Electric Company. El LED es un tipo especial de diodo y sus características eléctricas son similares a las de un diodo de unión PN. Por lo tanto, el LED permite que la corriente fluya en dirección directa y bloquea la corriente en dirección inversa. El LED ocupa un área pequeña menos de 1 milímetro². Las aplicaciones de los LED se utilizan 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 pn. Es un diodo especialmente dopado hecho de un tipo especial de semiconductor. Cuando la luz se emite en la dirección de avance, se llama diodo emisor de luz.

Símbolo LED

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

construcción LED

La construcción del LED es muy sencilla ya que se diseña depositando tres capas de material semiconductor sobre un sustrato. Estas tres capas están dispuestas una por una donde la región superior es una región de tipo P, la región media es activa y, finalmente, la región inferior es de tipo N. Las tres regiones de material semiconductor se pueden ver en la construcción. En construcción, la región tipo P incluye los agujeros; 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 estará polarizado hacia adelante, por lo que los electrones de la región N y los huecos de la región P se moverán hacia la región activa. Esta región también se conoce como la 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 tanto, la luz puede generarse 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 tiene polarización directa, los electrones y los huecos se mueven rápidamente a través de la unión y se combinan constantemente, eliminándose entre sí. Poco después de que los electrones pasen del silicio tipo n al silicio tipo p, se combina con los huecos y luego desaparece. Por lo tanto, hace que el átomo sea más completo y más estable y da la pequeña explosión de energía en forma de un pequeño paquete o fotón de luz.

El diagrama de arriba 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 es de color rojo, incluidos los electrones que se indican con los círculos negros.
• El silicio tipo P es de color azul y contiene agujeros, se indican con círculos blancos.
• La fuente de alimentación a través de la unión pn hace que el diodo se polarice directamente y empuja los electrones del tipo n al tipo p. Empuje los agujeros en la dirección opuesta.
• El electrón y los huecos en la unión se combinan.
• Los fotones se emiten cuando los electrones y los huecos se recombinan.

Historia del diodo emisor de luz.

Los LED se inventaron en 1927, pero no son un invento nuevo. A continuación se presenta una breve revisión de la historia de los LED.

• En 1927, Oleg Losev (inventor ruso) creó el primer LED y publicó una teoría sobre su investigación.
• En 1952, el profesor Kurt Lechovec probó las teorías de las teorías perdedoras y explicó los primeros LED.
• En 1958, Rubin Braunstein y Egon Loebner inventaron el primer LED verde.
• En 1962, Nick Holonyak desarrolló un LED rojo. Así, se crea el primer LED.
• En 1964, IBM implementó por primera vez los LED en una placa de circuito impreso en una computadora.
• En 1968, HP (Hewlett Packard) comenzó a usar LED en las calculadoras.
• En 1971, Jacques Pankove y Edward Miller inventaron un LED azul.
• En 1972, el Sr. George Crawford (ingeniero eléctrico) inventó el LED de color amarillo.
• En 1986, Walden C. Rhines y Herbert Maruska de la Universidad de Stafford inventaron un LED de color azul con magnesio, incluidos los estándares futuros.
• En 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 de alto brillo a través de los desarrollos de Amanos & Akaski, lo que condujo rápidamente a la expansión de los LED de color blanco.
  En 2002, se utilizaron LED de color blanco para fines residenciales que cobran entre 80 y 100 libras esterlinas por cada bombilla.
• En 2008, las luces LED se hicieron muy populares en oficinas, hospitales y escuelas.
• En 2019, los LED se han convertido en las principales fuentes de luz;
• El desarrollo del LED es increíble, ya que va desde la pequeña indicación hasta la iluminación de oficinas, hogares, escuelas, hospitales, etc.

Circuito de diodo emisor de luz para polarización

La mayoría de los LED tienen clasificaciones de voltaje de 1 voltio a 3 voltios, mientras que las clasificaciones de corriente directa varían de 200 mA a 100 mA.

Si se aplica voltaje (1 V a 3 V) al LED, funciona bien porque el flujo de corriente para el voltaje aplicado estará dentro del rango operativo. De manera similar, si el voltaje aplicado a un LED es más alto que el voltaje operativo, la región de agotamiento dentro del diodo emisor de luz colapsará debido al alto flujo de corriente. Este inesperado flujo de alta 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 LED estarán entre 1 V y 3 V, mientras que las clasificaciones de corriente segura oscilarán entre 200 mA y 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 limita el flujo de corriente, de lo contrario, el LED podría destruirlo. Por lo tanto, 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,

'IF' 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 superar la barrera de la región de agotamiento. La caída de voltaje del LED irá de 2V a 3V mientras que el diodo de Si o Ge es de 0,3 o 0,7V.

Por lo tanto, el LED puede funcionar con alto voltaje en comparación con los diodos de 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.

Hay diferentes tipos de LED presentes 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, naranja-rojo, naranja y amarillo de alto brillo
• 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, azul-verde y azul
• Carburo de silicio (SiC) – azul como sustrato
• Seleniuro de zinc (ZnSe) – azul
• Nitruro de aluminio y galio (AlGaN) - ultravioleta

Principio de funcionamiento del LED

El principio de funcionamiento del diodo emisor de luz se basa en la teoría cuántica. La teoría cuántica dice que cuando el electrón cae del nivel de energía más alto al nivel de energía más bajo, la energía emite fotones. La energía del fotón es igual a la diferencia de energía entre estos dos niveles de energía. Si el diodo de unión PN tiene polarización directa, la corriente fluye a través del diodo.

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

La recombinación indica que los electrones de la banda de conducción saltan a la banda de valencia. Cuando los electrones saltan de una banda a otra, los electrones emiten la energía electromagnética en forma de fotones y la energía del fotón es igual a la banda prohibida.

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

ecuación = hf

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

Eq = él / λ

De la ecuación anterior, podemos decir que la longitud de onda de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a la desviación prohibida. En general, los semiconductores de silicio y germanio tienen esta brecha de energía prohibida entre la condición y las bandas de valencia son tales que la radiación total de la onda electromagnética durante la recombinación es en forma de radiación infrarroja. No podemos ver la longitud de onda del infrarrojo porque está más allá de nuestro rango visible.

Se dice que la radiación infrarroja se presenta en forma de calor porque los semiconductores de silicio y germanio no son semiconductores de brecha directa, sino 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 al mismo tiempo que los electrones. Por lo tanto, durante la recombinación de electrones y huecos, hay una migración de electrones de la banda de conducción a la banda de valencia, el momento de la banda de electrones cambiará.

LED 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 en un paquete similar para generar luz blanca; mientras que en la segunda técnica se utiliza la fosforescencia. La fluorescencia en el fósforo se puede abstraer en el epoxi que lo rodea, y luego el LED se activará mediante 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 conocida como colores primarios aditivos. Estas tres intensidades de luz se suman en partes iguales para generar luz blanca.

Pero, para lograr esta combinación a través de una combinación de LED verdes, azules y rojos, se requiere un diseño electroóptico complicado para controlar la combinación y difusión de diferentes colores. Además, este enfoque puede ser complicado debido a los cambios de color de los LED.

La línea de productos LED blancos depende principalmente de un solo chip LED que utiliza un recubrimiento de fósforo. Este recubrimiento genera luz blanca cuando es golpeado por fotones ultravioleta, si no azules. El mismo principio también se aplica a las bombillas fluorescentes; la emisión ultravioleta de una descarga eléctrica dentro del tubo hará que el fósforo parpadee en blanco.

Aunque este proceso de LED puede generar diferentes tonalidades, las diferencias pueden controlarse mediante el apantallamiento. Los dispositivos basados ​​en LED blancos se filtran utilizando cuatro coordenadas de cromaticidad exactas que se encuentran junto al centro del diagrama CIE.

El diagrama CIE describe todas las coordenadas de color alcanzables en la curva de herradura. Los colores limpios están en el arco, pero la punta blanca está en el centro. El color de salida del LED blanco se puede representar mediante cuatro puntos que se muestran en el medio del gráfico. Aunque las cuatro coordenadas del gráfico están cerca del blanco puro, estos LED generalmente no son efectivos como fuente de luz común para iluminar lentes de colores.

Estos LED son principalmente útiles para lentes blancas claras, opacas, retroiluminadas. A medida que esta tecnología continúe avanzando, los LED blancos sin duda ganarán una reputación como fuente de iluminación e indicación.

Eficacia luminosa

La eficiencia luminosa de los LED se puede definir como el flujo luminoso producido en lm por cada unidad y la potencia eléctrica utilizada en W. El orden de eficiencia interna nominal del LED de color azul es de 75 lm/W; los LED naranjas tienen 500 lm/W y los LED rojos tienen 155 lm/W. Debido a la reabsorción interna, se pueden tener en cuenta las pérdidas; el orden de eficacia luminosa varía de 20 a 25 lm/W para los LED verdes y ámbar. Esta definición de eficiencia también se conoce como eficiencia externa y es análoga a la definición de eficiencia que normalmente se usa para otros tipos de fuentes de luz como los LED multicolores.

Diodo emisor de luz multicolor

Un diodo emisor de luz que produce color cuando se conecta con polarización directa y produce color cuando se conecta con polarización inversa se denomina LED multicolor.

De hecho, estos LED incluyen dos uniones PN y la conexión de esta se puede realizar en paralelo con el ánodo de uno que está conectado al cátodo del otro.

Los LED multicolores normalmente son rojos cuando están polarizados en una dirección y verdes cuando están polarizados en otra dirección. Si este LED se enciende muy rápidamente entre dos polaridades, este LED generará un tercer color. Un LED verde o rojo generará una luz de color amarillo cuando se cambia rápidamente 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.

IV Características de los LED

Hay diferentes tipos de LED 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 del LED, solo existe el color rojo. A medida que aumenta el uso de LED con la ayuda del proceso de semiconductores y la investigación de nuevos metales para LED, se han formado diferentes colores.

El siguiente gráfico muestra las curvas aproximadas entre el voltaje directo y la corriente. Cada curva en el gráfico indica un color diferente. La tabla muestra un resumen de las características del LED.

¿Cuáles son los dos tipos de configuraciones de LED?

Las configuraciones LED estándar son dos emisores similares más COB

El emisor es un solo chip que se monta en una placa de circuito y luego en un disipador de calor. Esta placa de circuito impreso proporciona energía eléctrica al transmisor, mientras disipa 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 abierta en la placa de circuito. Por lo tanto, este diseño se denomina COB (chip-on-board array).

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 electricidad se controla el LED.
• La intensidad del LED difiere usando el microcontrolador.
• Larga esperanza de vida
• Bajo consumo
• Sin periodo de calentamiento
• Robusto
• No afecta las temperaturas frías.
• Direccional
• La reproducción de color es excelente.
• Ecológico
• Controlable

los desventajas del diodo emisor de luz Incluya lo siguiente.

• Premio
• Sensibilidad a la temperatura
• Dependencia de la temperatura
• Calidad de la luz
• polaridad eléctrica
• Sensibilidad de voltaje
• caída de la eficiencia
• Impacto en los insectos

Aplicaciones de la emisión de luz de diodo

Hay muchas aplicaciones de los 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.
• Estos se utilizan en los teléfonos móviles para mostrar el mensaje
• En los semáforos se utilizan leds

Así, este artículo trata una descripción general del diodo emisor de luz Principio de funcionamiento y aplicación del circuito. Espero que al leer este artículo haya adquirido información básica y funcional sobre el diodo emisor de luz. Si tiene alguna pregunta sobre este artículo o el proyecto eléctrico del año pasado, no dude en comentar en la sección a continuación. Aquí hay una pregunta para ti, ¿Qué es LED y cómo funciona?