Está seguro. Esta acción no se podrá deshacer.
Semiconductores
Los diodos LED, abreviatura de Light Emitting Diode (diodo emisor de luz), son dispositivos semiconductores que convierten la energía eléctrica directamente en luz visible mediante el fenómeno de electroluminiscencia. Los LED son una tecnología ampliamente utilizada en la actualidad debido a su eficiencia energética, durabilidad y versatilidad en una variedad de aplicaciones.
El concepto de la electroluminiscencia, el fenómeno detrás de la emisión de luz en los diodos LED, se descubrió en 1907 por H.J. Round, un ingeniero británico. Sin embargo, no fue hasta la década de 1960 que se desarrollaron los primeros diodos LED prácticos y eficientes. En 1962, Nick Holonyak Jr., ingeniero de General Electric, creó el primer LED visible de luz roja utilizando arseniuro de galio fosforescente. Este avance marcó el comienzo de la era moderna de los LED.
Durante las décadas siguientes, se realizaron avances significativos en la tecnología de los LED, incluyendo la expansión de longitudes de onda para abarcar colores adicionales, como el verde, el amarillo y el azul. Uno de los hitos más importantes ocurrió en 1994, cuando Shuji Nakamura desarrolló el primer LED azul de alta eficiencia utilizando nitruro de galio. Esta innovación permitió la creación de LED blancos al combinar luz azul con fósforo amarillo, lo que abrió la puerta a una amplia gama de aplicaciones de iluminación LED.
Los diodos LED están compuestos principalmente de materiales semiconductores. La estructura básica de un LED consta de una capa de material semiconductor activo, que puede ser dopado para ajustar sus propiedades eléctricas y ópticas. Este semiconductor activo está rodeado por capas de materiales semiconductores de tipo P y N, formando una unión PN.
Cuando se aplica una tensión eléctrica a través de la unión PN, los electrones de la región N y los huecos de la región P se recombinan en la región activa, liberando energía en forma de fotones. La longitud de onda de la luz emitida está determinada por el gap de energía del material semiconductor, lo que permite la producción de una variedad de colores de luz.
Los diodos LED presentan una serie de características distintivas que los hacen altamente deseables en comparación con otras fuentes de iluminación, como las lámparas incandescentes o fluorescentes:
Los diodos LED se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, que abarcan desde iluminación general hasta aplicaciones especializadas:
Aunque los diodos LED han avanzado significativamente desde su invención inicial, todavía enfrentan desafíos y oportunidades para mejoras futuras:
En resumen, los diodos LED han revolucionado la industria de la iluminación y continúan siendo una tecnología en constante evolución con un vasto potencial en una variedad de aplicaciones. Con su eficiencia energética, durabilidad y versatilidad, los LED seguirán desempeñando un papel fundamental en la iluminación y la tecnología en el futuro.
El funcionamiento de un LED se basa en el principio de la electroluminiscencia, un fenómeno en el cual los electrones en un material semiconductor se recombinan con huecos, liberando energía en forma de fotones de luz. Este proceso ocurre dentro de la región activa del diodo LED cuando se aplica una tensión eléctrica a través de la unión PN.
Los materiales semiconductores utilizados en los diodos LED desempeñan un papel crucial en su funcionamiento y determinan sus propiedades ópticas y eléctricas. Los materiales más comunes son el arseniuro de galio (GaAs), el fosfuro de galio (GaP), el nitruro de galio (GaN) y el nitruro de indio galio (InGaN). La elección del material determina la longitud de onda de la luz emitida y, por lo tanto, el color del LED.
Brecha de Energía (GAP): La brecha de energía del material semiconductor es la energía mínima requerida para que un electrón salte de la banda de valencia a la banda de conducción. Esta brecha de energía determina la energía y la longitud de onda de la luz emitida por el LED. Los materiales con brechas de energía más grandes emiten luz en longitudes de onda más cortas y colores más azulados, mientras que los materiales con brechas de energía más pequeñas emiten luz en longitudes de onda más largas y colores más rojizos.
Los diodos LED se construyen en diferentes formas y tamaños para adaptarse a una variedad de aplicaciones. La construcción física de un LED típico incluye:
La intensidad luminosa de un LED puede controlarse variando la corriente eléctrica que fluye a través de él. Aunque los diodos LED son inherentemente dispositivos no lineales, su brillo se puede ajustar utilizando técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) o mediante la variación directa de la corriente de alimentación. Esto permite ajustar el brillo del LED para adaptarse a las necesidades específicas de iluminación en diferentes aplicaciones.
La eficiencia y la gestión térmica son aspectos importantes en el funcionamiento de los diodos LED. A medida que fluye corriente a través del LED, se genera calor en la región activa. El exceso de calor puede reducir la eficiencia del LED y acortar su vida útil. Por lo tanto, es importante diseñar sistemas de disipación de calor eficaces, como disipadores de calor y PCBs de metal, para mantener la temperatura del LED dentro de rangos seguros y optimizar su rendimiento y durabilidad.
En conclusión, el funcionamiento de un LED se basa en el principio de la electroluminiscencia, donde la recombinación de electrones y huecos en un material semiconductor activo genera luz. La elección de materiales, la construcción física y el control de la intensidad luminosa son aspectos clave en el diseño y funcionamiento eficiente de los diodos LED en una variedad de aplicaciones de iluminación y electrónica.
Los diodos LED son componentes electrónicos extremadamente versátiles que se utilizan en una amplia gama de aplicaciones. Además de los LED individuales, hay varios tipos de diodos LED y configuraciones de display que se utilizan en electrónica y aplicaciones de iluminación. Aquí están algunos de los tipos más comunes:
Estos LEDs contienen tres chips semiconductores diferentes que emiten luz roja, verde y azul. Al mezclar estas tres luces en diferentes proporciones, se pueden crear una amplia gama de colores. Los LEDs RGB son fundamentales en la iluminación de colores variables y en la creación de efectos de luz dinámicos.
Los LEDs ultravioleta (UV) emiten luz en la región ultravioleta del espectro electromagnético y se utilizan en aplicaciones como curado de resinas, desinfección, detección de fluorescencia y detección de falsificaciones. Los LEDs infrarrojos (IR) emiten luz en la región infrarroja y se utilizan en aplicaciones de control remoto, seguridad, visión nocturna y sensores de proximidad.
Además de los LEDs individuales, existen displays de LED que constan de múltiples diodos LED dispuestos en una matriz para formar caracteres, números u otros símbolos. Uno de los tipos más comunes de displays de LED es el display de 7 segmentos. Este tipo de display consta de siete segmentos individuales dispuestos en forma de "8" y se utiliza comúnmente para mostrar dígitos numéricos. Cada segmento puede ser activado o desactivado individualmente para representar números del 0 al 9 y algunas letras, como A, B, C, etc. Los displays de 7 segmentos son ampliamente utilizados en aplicaciones como relojes digitales, termómetros, cronómetros, y paneles de control.
Los LED COB son una tecnología avanzada que consiste en múltiples chips LED montados directamente en un sustrato o placa de circuito impreso (PCB).
La disposición de los chips LED en una misma superficie permite una mayor densidad de potencia y una mejor distribución de la luz.
Los LED COB proporcionan una mayor luminosidad y eficiencia en comparación con los LED individuales, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta potencia y alta luminosidad, como iluminación de áreas grandes, iluminación de exteriores, reflectores, focos y lámparas de inundación. Se sobre un disipador de calor.
Son parecidos a los COB. Los LED de alto brillo (HBLED) son diodos LED diseñados para producir una salida de luz muy intensa.
Estos LED generalmente incorporan una matriz de chips LED de alta potencia montados en un sustrato metálico para una mejor disipación del calor.
Los HBLED se utilizan en aplicaciones que requieren una iluminación de alta intensidad, como iluminación de escenarios, iluminación de estudio, iluminación de automóviles, iluminación de fachadas y proyectores.o
Estos displays constan de una matriz de diodos LED dispuestos en filas y columnas. Cada LED individual en la matriz se puede encender o apagar para representar caracteres alfanuméricos, gráficos o patrones específicos. Los displays matriciales de LED son altamente flexibles y se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluyendo carteles de publicidad, sistemas de información, y juegos electrónicos.
LEDs láser:
Los LED láser, también conocidos como diodos láser, son una variante especializada de los diodos LED que emiten luz coherente y altamente direccionable en lugar de luz dispersa. Aunque comparten algunas similitudes con los LED convencionales, como la estructura básica de unión PN y la operación basada en la recombinación de portadores, los LED láser tienen características distintivas que los hacen únicos. Aquí hay una descripción más detallada de los LED láser:
1. Principio de Funcionamiento
El funcionamiento de un LED láser se basa en el mismo principio básico que el de un LED convencional: la recombinación de portadores en una región activa semiconductor. Sin embargo, a diferencia de los LED estándar, los LED láser utilizan un proceso llamado "emisión estimulada de radiación" para generar luz coherente y altamente direccional.
En un LED láser, la región activa semiconductor está confinada entre dos espejos altamente reflectantes, uno de los cuales es parcialmente transparente para permitir que la luz láser escape. Cuando se aplica una corriente eléctrica a través del diodo láser, los electrones y los huecos se recombinan en la región activa, generando fotones que viajan hacia adelante y hacia atrás entre los espejos reflectantes. Este proceso de emisión estimulada amplifica la luz y produce un haz coherente y de alta intensidad que emerge a través del espejo parcialmente transparente.
2. Estructura y Materiales
Los LED láser están construidos con materiales semiconductores específicos, como el arseniuro de galio (GaAs) y el arseniuro de galio-indio (InGaAs). La estructura básica de un LED láser incluye:
Región Activa Semiconductor: Esta es la región donde ocurre la recombinación de portadores y la emisión de luz láser. Por lo general, consiste en varias capas delgadas de materiales semiconductores dopados con diferentes impurezas para ajustar las propiedades ópticas y eléctricas.
Espejos Reflectantes: Los espejos reflectantes, uno en cada extremo de la región activa, forman una cavidad resonante que amplifica la luz láser mediante reflexión múltiple. Estos espejos suelen estar fabricados con capas alternas de materiales con índices de refracción diferentes para maximizar la reflexión.
Zona de Ganancia: Esta es la región donde se produce la amplificación óptica mediante el proceso de emisión estimulada de radiación. La longitud y la composición de esta región determinan las propiedades espectrales y de emisión del LED láser.
3. Características y Aplicaciones
Los LED láser tienen varias características distintivas que los hacen adecuados para aplicaciones específicas:
Coherencia: La luz emitida por un LED láser es coherente, lo que significa que todas las ondas de luz tienen la misma fase y dirección. Esto permite que los LED láser produzcan haces estrechos y altamente direccionales que son útiles en aplicaciones de señalización, comunicaciones ópticas y medicina.
Monocromaticidad: Los LED láser emiten luz en una sola longitud de onda o color, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren precisión espectral, como lectura de códigos de barras, impresión láser y espectroscopia.
Alta Intensidad Luminosa: Los LED láser pueden generar haces de luz extremadamente brillantes y concentrados, lo que los hace ideales para aplicaciones de iluminación, proyección y corte.
Baja Divergencia: Los haces de luz de los LED láser tienen una baja divergencia, lo que significa que mantienen su tamaño y forma a grandes distancias. Esto los hace útiles en aplicaciones como telemetría, rastreo y posicionamiento.
4. Aplicaciones de los LED Láser
Los LED láser se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, que incluyen:
Comunicaciones Ópticas: Los LED láser son fundamentales en sistemas de comunicaciones ópticas, como fibra óptica y transmisión láser, donde se utilizan para enviar datos a largas distancias con alta velocidad y precisión.
Medicina y Terapia: En medicina, los LED láser se utilizan en terapias de luz para tratar una variedad de condiciones médicas, como la estimulación del crecimiento celular, la reducción del dolor y la promoción de la cicatrización de heridas.
Instrumentación Científica: Los LED láser se utilizan en instrumentos científicos, como microscopios de fluorescencia, espectrómetros y láseres de trampa óptica, para realizar mediciones precisas y experimentos de investigación.
Industria y Fabricación: En la industria, los LED láser se utilizan en aplicaciones de corte, soldadura, marcado y grabado, donde proporcionan una fuente de luz altamente controlada y potente para procesos de fabricación de alta precisión.
En resumen, los diodos LED están disponibles en una variedad de tipos y configuraciones que se adaptan a una amplia gama de aplicaciones. Desde los simples LEDs individuales hasta los complejos displays de matriz, los LEDs son componentes esenciales en la electrónica moderna y la iluminación.
Sin ser una lista exhaustiva mostrareros las cápsulas mayormente empleadas, así como sus características comunes de forma muy generalizada, sobre todo lo que se refiere a potencia, corriente y angulo de visión.
1. LED de 3 mm (T-1):
Son los más comunes y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones.
Diámetro: 3 mm
Altura: 2.5 mm
Ángulo de visión: 20-30 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 5-10 mW
2. LED de 5 mm (T-1 3/4):
Son más brillantes que los LED de 3 mm y se utilizan en aplicaciones que requieren mayor potencia lumínica.
Diámetro: 5 mm
Altura: 4.8 mm
Ángulo de visión: 20-30 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 10-20 mW
3. LED de 8 mm:
Son los más brillantes de los LED de montaje convencional y se utilizan en aplicaciones que requieren la máxima potencia lumínica.
Diámetro: 8 mm
Altura: 5.6 mm
Ángulo de visión: 20-30 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 20-30 mW
4. LED de 10 mm:
Son menos comunes que los LED de 3 mm, 5 mm y 8 mm, pero se utilizan en algunas aplicaciones especiales.
Diámetro: 10 mm
Altura: 7.5 mm
Ángulo de visión: 20-30 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 30-40 mW
5. LED Piranha o superflux:
Son LED de alta potencia que se caracterizan por su forma cuadrada.
Diámetro: 5 mm
Altura: 4.6 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 350 mA
Potencia: 100-150 mW
6. LED PLCC:
Son LED de alta potencia que se caracterizan por su encapsulado de plástico.
Diámetro: 5 mm
Altura: 4.8 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 350 mA
Potencia: 100-150 mW
1. LED 0402:
Son los más pequeños de los LED SMD y se utilizan en aplicaciones que requieren un tamaño muy reducido.
Dimensiones: 0.4 mm x 0.2 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 5-10 mW
2. LED 0603:
Son un poco más grandes que los LED 0402 y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones.
Dimensiones: 0.6 mm x 0.3 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 5-10 mW
3. LED 0805:
Son un tamaño popular para LED SMD y se utilizan en aplicaciones que requieren un buen equilibrio entre tamaño y potencia.
Dimensiones: 0.8 mm x 0.5 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 10-20 mW
4. LED 1206:
Son un tamaño popular para LED SMD y se utilizan en aplicaciones que requieren mayor potencia lumínica.
Dimensiones: 1.2 mm x 0.6 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 20 mA
Potencia: 20-30 mW
5. LED 3528:
Son LED SMD de alta potencia que se caracterizan por su tamaño grande.
Dimensiones: 3.5 mm x 2.8 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 150 mA
Potencia: 50-100 mW
6. LED 5050:
Son LED SMD de alta potencia que se caracterizan por su tamaño aún más grande.
Dimensiones: 5.0 mm x 5.0 mm
Ángulo de visión: 120 grados
Corriente: 150 mA
Potencia: 100-150 mW
Los distintos acabados teñido (tinted), transparante (clear) y difuso (diffused) son opciones de encapsulado para diodos LED que afectan la dispersión y la intensidad de la luz emitida. Cada uno tiene características específicas que los hacen adecuados para diferentes aplicaciones. Aquí hay una explicación de cada uno:
Características: El acabado tinted se refiere a un recubrimiento coloreado aplicado al encapsulado del diodo LED.
Este recubrimiento proporciona un color o tono específico a la luz emitida por el LED.
El color del recubrimiento puede variar desde transparente hasta oscuro, dependiendo del grado de tintado.
El color de la luz emitida por el LED se verá influenciado por el color del recubrimiento tintado.
Aplicaciones: Los LEDs con acabado tinted se utilizan comúnmente en aplicaciones donde se requiere una iluminación con un tono específico o una apariencia estética particular.
Se utilizan en iluminación decorativa, iluminación ambiental, señalización y efectos de iluminación especializados.
Aplicaciones: Los LEDs con acabado clear son ideales para aplicaciones donde se necesita una salida de luz brillante y enfocada, como indicadores, señalización, iluminación de panel y retroiluminación.
Aplicaciones:
Los LEDs con acabado diffused son adecuados para aplicaciones donde se necesita una iluminación suave y uniforme, como iluminación de ambiente, iluminación de señalización en interiores, retroiluminación de pantallas y paneles de instrumentos.
Resumen:
El acabado tinted proporciona un color específico a la luz emitida y se utiliza en aplicaciones estéticas o de diseño.
El acabado clear proporciona una salida de luz directa y brillante, ideal para aplicaciones donde se requiere una intensidad luminosa alta y enfocada.
El acabado diffused dispersa la luz de manera más uniforme y suave, adecuado para aplicaciones que requieren una iluminación suave y sin deslumbramiento. La elección entre estos acabados dependerá de las necesidades específicas de la aplicación, incluyendo la estética deseada, la intensidad luminosa requerida y el tipo de dispersión de luz deseada.
La gráfica que representa el ángulo de visión o apertura de un diodo led suele representarse en coordenadas polares. La gráfica polar de luminosidad de un diodo LED es una representación gráfica de la intensidad de la luz emitida por el LED en función del ángulo de emisión. Se trata de una gráfica circular en la que el eje radial representa la intensidad de la luz y el ángulo θ representa el ángulo de emisión con respecto al eje perpendicular a la superficie del LED.
Explicación de θ:
θ = 0°: Corresponde a la dirección perpendicular a la superficie del LED. En este caso, la intensidad de la luz es máxima.
θ > 0°: A medida que θ aumenta, la intensidad de la luz disminuye.
θ = 90°: La intensidad de la luz es mínima.
θ > 90°: La intensidad de la luz aumenta de nuevo, pero no alcanza la misma intensidad que en θ = 0°.
Forma de la gráfica:
La forma de la gráfica polar de luminosidad depende del tipo de LED. Los LED con un ángulo de visión amplio tienen una gráfica más ancha, mientras que los LED con un ángulo de visión estrecho tienen una gráfica más puntiaguda.
Definimos el ángulo θ/2, aquel en el cual la intensidad lumínica es justo de la mitad la intensidad máxima, es decir la mitad de la que tiene a 0º. Teniendo en cuenta que el diodo led es simétrico el ángulo de apertura del led es doble y se expresa como 2θ½ . En el siguiente ejemplo lo veremos más claramente:
Los puntos de corte del valor de la intensidad igual a 0.5 con el lóbulo de la gráfica son a 15º y a -15º. Por tanto definimos que el diodo led de la gráfica tiene una apertura de 30º o 2θ½= 30º
La gráfica de la frecuencia luminosa de un LED muestra la cantidad de luz emitida por el LED en función de la longitud de onda de esa luz, lo que también se conoce como espectro de emisión del LED. Para entender esta gráfica, es útil entender algunos conceptos básicos:
El espectro de emisión de un LED representa la distribución de la intensidad luminosa emitida por el LED en diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético.
Cada LED emite luz en una longitud de onda específica o en un rango estrecho de longitudes de onda, dependiendo de los materiales semiconductores utilizados en su construcción.
La longitud de onda es la distancia entre dos crestas adyacentes de una onda de luz. Se mide en nanómetros (nm).
En el espectro visible, las longitudes de onda más cortas corresponden a los colores azules y violetas, mientras que las longitudes de onda más largas corresponden a los colores rojos y anaranjados.
La frecuencia luminosa es la cantidad de luz emitida por el LED en una determinada longitud de onda. Se expresa en unidades como vatio por metro cuadrado por nanómetro (W/m²/nm) o similar.
La gráfica de la frecuencia luminosa muestra cómo varía la intensidad luminosa del LED en función de la longitud de onda.
Interpretación de la Gráfica:
En la gráfica, el eje horizontal representa la longitud de onda en nanómetros (nm), mientras que el eje vertical representa la intensidad luminosa en unidades como W/m²/nm o similar.
La curva en la gráfica muestra cómo varía la intensidad luminosa del LED en función de la longitud de onda. Esta curva puede ser continua o puede mostrar picos y valles dependiendo de las características específicas del LED y de los materiales utilizados en su fabricación.
Los picos en la gráfica representan las longitudes de onda en las que el LED emite más luz, mientras que los valles representan las longitudes de onda en las que emite menos luz o ninguna luz.
La forma y la amplitud de la curva en la gráfica dependen de varios factores, incluyendo el material semiconductor utilizado en el LED, el diseño del encapsulado y cualquier recubrimiento óptico aplicado al LED.
En el siguiente ejemplo de gráfica vemos como la intensidad máxima se da a una frecuencia cuya longitud de onda es de 455nm aproximadamente. y tenemos una zona de valle entre 480nm y 520nm. λ = 455nm.
Aplicaciones:
La gráfica de la frecuencia luminosa es útil para diseñadores y fabricantes de iluminación LED para comprender las características espectrales de los LED y seleccionar los adecuados para sus aplicaciones específicas.
También es importante para los investigadores y científicos que estudian los materiales semiconductores y las propiedades ópticas de los LED para mejorar su eficiencia y rendimiento.
En resumen, la gráfica de la frecuencia luminosa de un LED proporciona información sobre cómo varía la intensidad luminosa del LED en diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético, lo que es crucial para comprender y optimizar su rendimiento en diversas aplicaciones de iluminación.
La cromaticidad de un diodo LED se refiere a la calidad del color de la luz que emite. La cromaticidad se puede representar mediante dos coordenadas:
La cromaticidad de un LED se suele representar en la hoja de datos del fabricante y es muy importante entre otros para asegurar que todos los LED de un mismo color de una aplicación se vean iguales.
La cromaticidad de un LED puede variar con la temperatura, la corriente y el voltaje.
La cromaticidad de un LED se puede medir utilizando un espectrorradiómetro.
Existen diferentes espacios de color para definir la cromaticidad, como el espacio de color CIE 1931, el espacio de color CIE 1976 y el espacio de color sRGB.
El CRI, o índice de reproducción cromática, de un diodo LED es una medida de la capacidad del LED para reproducir los colores de forma precisa en comparación con una fuente de luz natural. Se expresa en una escala de 0 a 100, siendo 100 la mejor reproducción cromática posible.
Explicación:
Valor CRI alto (90-100): Los colores se reproducen con gran precisión y se ven naturales. Ideal para aplicaciones donde la precisión del color es crucial, como museos, tiendas de ropa, etc.
Valor CRI medio (80-90): La reproducción del color es buena, pero algunos colores pueden verse ligeramente apagados. Adecuado para la mayoría de las aplicaciones generales.
Valor CRI bajo (0-80): La reproducción del color es deficiente y los colores pueden verse distorsionados. Solo se recomienda para aplicaciones donde la precisión del color no es importante.
Factores que afectan al CRI:
Tipo de LED: Los LEDs de alta potencia suelen tener un CRI más alto que los LEDs de baja potencia.
Color del LED: Los LEDs de color blanco cálido suelen tener un CRI más alto que los LEDs de color blanco frío.
Fabricante del LED: Los diferentes fabricantes pueden tener diferentes procesos de fabricación que afectan al CRI.
Importancia del CRI:
El CRI es importante para:
Seleccionar el LED adecuado para una aplicación específica: En aplicaciones donde la precisión del color es crucial, como museos o tiendas en general, se requiere un CRI alto.
Asegurar que los colores se vean naturales: Un CRI alto ayuda a que los colores se vean lo más realistas posible.
Evitar la distorsión del color: Un CRI bajo puede hacer que los colores se vean apagados o distorsionados.
