Los Diodos LedVersión 0.1 (30 sep 2002)

Ricardo Gómez González aka EagleManricardo at eagleman dot orghttp://www.iearobotics.com/

Copyright © 2002. Ricardo Gómez González.Distribuido bajo Licencia GPL

Introducción

Los diodos emisores de luz visible son utilizados en grandes cantidades como indicadores piloto, dispositivos de presentación numérica y dispositivos de presentación de barras, tanto para aplicaciones domésticas como para equipos industriales, esto es debido a sus grandes ventajas que son: peso y espacio insignificantes, precio moderado, y en cierta medida una pequeña inercia, que permite visualizar no solamente dos estados lógicos sino también fenómenos cuyas características varían progresivamente.

Sus siglas provienen del Ingles (Light Emitting Diode) : Led.

Como otros dispositivos de presentación, los Leds pueden proporcionar luz en color rojo, verde y azul. El material de un Led está compuesto principalmente por una combinación semiconductora.

El GaP se utiliza en los Leds emisores de luz roja o verde; el GaAsP para los emisores de luz roja, anaranjada o amarilla y el GaAlAs para los Leds de luz roja. Para los emisores azules se han estado usando materiales como SiC, GaN, ZnSe y ZnS.

Principio físico

El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas, por la cual, una tensión externa aplicada a una unión p-n polarizada directamente, excita los electrones, de manera que son capaces de atravesar la banda de energía que separa las dos regiones. Si la energía es suficiente los electrones escapan del material en forma de fotones. Cada material semiconductor tiene unas determinadas características que y por tanto una longitud de onda de la luz emitida.

Material Longitud de onda Color

GaAs : Zn 9000 Å Infrarrojo

GaAsP.4 6600 Å Rojo

GaAsP.5 6100 Å Ambar

GaAsP.85 : N 5900 Å Amarillo

GaP : N 5600 Å Verde

Tabla 1. Longitudes de onda de algunos compuestos de Galio

A diferencia de la lámparas de incandescencia cuyo funcionamiento es por una determinada tensión, los Led funcionan por la corriente que los atraviesa. Su conexión a una fuente de tensión constante debe estar protegida por una resistencia limitadora, veremos más adelante algunos ejemplos.

Teoría de bandas

En un átomo aislado los electrones pueden ocupar determinados niveles energéticos pero cuando los átomos se unen para formar un cristal, las interacciones entre ellos modifican su energía, de tal manera que cada nivel inicial se desdobla en numerosos niveles, que constituyen una banda, existiendo entre ellas huecos, llamados bandas energéticas prohibidas, que sólo pueden salvar los electrones en caso de que se les comunique la energía suficiente. (figura 1)

En los aislantes la banda inferior menos energética (banda de valencia) está completa con los e- más internos de los átomos, pero la superior (banda de conducción) está vacía y separada por una banda prohibida muy ancha (~ 10 eV), imposible de atravesar por un e-. En el caso de los conductores las bandas de conducción y de valencia se encuentran superpuestas, por lo que cualquier aporte de energía es suficiente para producir un desplazamiento de los electrones. Entre ambos casos se encuentran los semiconductores, cuya estructura de bandas es muy semejante a los aislantes, pero con la diferencia de que la anchura de la banda prohibida es bastante pequeña. Los semiconductores son, por lo tanto, aislantes en condiciones normales, pero una elevación de temperatura proporciona la suficiente energía a los electrones para que, saltando la banda prohibida, pasen a la de conducción, dejando en la banda de valencia el hueco correspondiente. (figura 2)

En el caso de los diodos Led los electrones consiguen saltar fuera de la estructura en forma de radiación que percibimos como luz (fotones).

Composición de los Leds

Led Rojo

Formado por GaP consiste en una unión p-n obtenida por el método de crecimiento epitaxial del cristal en su fase líquida, en un substrato. La fuente luminosa está formada por una capa de cristal p junto con un complejo de ZnO, cuya máxima concentración está limitada, por lo que su luminosidad se satura a altas densidades de corriente. Este tipo de Led funciona con baja densidades de corriente ofreciendo una buena luminosidad, utilizándose como dispositivo de visualización en equipos portátiles.

El constituido por GaAsP consiste en una capa p obtenida por difusión de Zn durante el crecimiento de un cristal n de GaAsP, formado en un substrato de GaAs, por el método de crecimiento epitaxial en fase gaseosa. Actualmente se emplea los Led de GaAlAs debido a su mayor luminosidad. El máximo de radiación se halla en la longitud de onda 660 nm. (figura 3)

Led anaranjado y amarillo

Están compuestos por GaAsP al igual que sus hermanos los rojos pero en este caso para conseguir luz anaranjada y amarilla así como luz de longitud de onda más pequeña, lo que hacemos es ampliar el ancho de la “banda prohibida” mediante el aumento de fósforo en el semiconductor. Su fabricación es la misma que se utiliza para los diodos rojos, por crecimiento epitaxial del cristal en fase gaseosa, la formación de la unión p-n se realiza por difusión de Zn. Como novedad importante en estos Leds se mezcla el área emisora con una trampa isoelectrónica de nitrógeno con el fin de mejorar el rendimiento

Led Verde

El Led verde está compuesto por GaP. Se utiliza el método de crecimiento epitaxial del cristal en fase líquida para formar la unión p-n. Al igual que los Leds amarillos, también se utiliza una trampa isoelectrónica de nitrógeno para mejorar el rendimiento. Debido a que este tipo de Led posee una baja probabilidad de transición fotónica, es importante mejorar la cristalinidad de la capa n. La disminución de impurezas a larga la vida de los portadores, mejorando la cristalinidad. Su máxima emisión se consigue en la longitud de onda 555 nm

Criterios de elección

1. Dimensiones y color del diodo

Actualmente los Leds tienen diferentes tamaños, formas y colores. Tenemos Leds redondos, cuadrados, rectangulares, triangulares y con diversas formas. Los colores básicos son rojo, verde y azul, aunque podemos encontrarlos naranjas, amarillos

incluso hay un Led de luz blanca. Las dimensiones en los Led redondos son 3mm, 5mm, 10mm y uno gigante de 20mm. Los de formas poliédricas suelen tener unas dimensiones aproximadas de 5x5mm.

2. Ángulo de vista

Esta característica es importante, pues de ella depende el modo de observación del Led, es decir, el empleo práctico de aparato realizado. Cuando el Led es puntual la emisión de luz sigue la ley de Lambert, permite tener un ángulo de vista relativamente grande y el punto luminoso se ve bajo todos los ángulos. (figura 4)

3. Luninosidad

La intensidad luminosa en el eje y el brillo están intensamente relacionados. Tanto si el Led es puntual o difusor, el brillo es proporcional a la superficie de emisión. Si el Led es puntual, el punto será más brillante, al ser una superficie demasiado pequeña. En uno difusor la intensidad en el eje es superior al modelo puntual.

4. Consumo

El consumo depende mucho del tipo de Led que elijamos:

Color Luminosidad Consumo Longitud onda Diámetro

Rojo 1,25 mcd 10 mA 660 nm 3 y 5 mm

Verde, amarillo y naranja 8 mcd 10 mA 3 y 5 mm

Rojo (alta luminosidad) 80 mcd 10 mA 625 nm 5 mm

Verde (alta luminosidad) 50 mcd 10 mA 565 nm 5 mm

Hiper Rojo 3500 mcd 20 mA 660 nm 5 mm

Hiper Rojo 1600 mcd 20 mA 660 nm 5 mm

Hiper Verde 300 mcd 20 mA 565 nm 5 mm

Azul difuso 1 mcd 60º 470 5 mm

Rojo y verde 40 mcd 20 mA 10 mm

Tabla 2. Características de los Leds.

Estructura de un Led

Los Led están formados por el material semiconductor que está envuelto en un plástico traslúcido o transparente según los modelos. En la figura podemos observar la distribución interna. El electrodo interno de menor tamaño es el ánodo y el de mayor tamaño es el cátodo Los primeros Leds se diseñaron para permitir el paso de la máxima cantidad de luz en dirección perpendicular a la superficie de montaje, más tarde se diseñaron para difundir la luz sobre un área más amplia gracias al aumento de la producción de luz por los Leds. (figura 5)

Algunas consideraciones

Si la corriente aplicada es suficiente para que entre en conducción el diodo emitirá una cierta cantidad de luz que dependerá de la cantidad de corriente y la temperatura del Led.

La luminosidad aumentará según aumentemos la intensidad pero habrá que tener en cuenta la máxima intensidad que soporta el Led.

Antes de insertar un diodo en un montaje tendremos que tener el color del diodo para saber la caída de tensión parámetro necesario para los cálculos posteriores:

Color Caída de tensión

( VLED ) V

Intensidad máxima

( ILED ) mA

Intensidad media

( ILED )mA

Rojo 1.6 20 5 – 10

Verde 2.4 20 5 – 10

Amarillo 2.4 20 5 – 10

Naranja 1.7 20 5 – 10

Tabla 3. Caída de tensión e intensidad.

Circuito básico en continua

La resistencia de limitación de la figura 6 puede calcularse a partir de la fórmula:

V - Vled R = ------------

I

Si expresamos V en voltios e I en miliamperios el valor de la resistencia vendrá directamente expresado en kiloohmios. También hay que tener en cuenta el calor disipado por en la resistencia, se calcula por la Ley de Joule. (figura 6)

Ley de Joule:

Potencia = I2 R

Donde I es la intensidad que atravesará al diodo y R la resistencia calculada en el apartado anterior.

Asociación de Leds

Serie

Los diodos se pueden conectar en serie siempre que la suma de las caídas de tensión sea menor que la tensión de alimentación. La fórmula a utilizar para el cálculo de la resistencia limitadora es :

V - NVled R = ---------------

I

Donde N es el número de Leds conectados en serie. Ver figura 7 para su interconexión.

Paralelo

Para conectar varios Leds en paralelo solo tendremos que calcular el valor para un Leds y luego los ponemos como en la (figura 8). En este caso habrá que tener cuidado con la intensidad de la fuente de alimentación que deberá ser superior a la suma de todos los Leds.

Ejemplo

Supongamos que la tensión de alimentación es de 12 voltios y vamos a utilizar un diodo Led de color rojo por el que circulará una corriente de 5 mA. La resistencia limitadora será:

12 - 1,3 R = --------- = 2,14 K

5

Utilizaremos un resistencia normalizada (ver lista normalizada) de valor 2K2, con esta resistencia la intensidad real que circulará es de 4,86 mA. Valor lo más próximo al teórico. El cálculo de la potencia lo vamos a realizar con la Ley de joule con lo que resultado queda P = 0.055 W, es decir, 55 mW; por tanto, basta con utilizar una resistencia de ¼ de vatio (250 mW) de 2K2 en serie con el diodo Led.

Circuito en alterna

Si queremos conectar un Led a un circuito en alterna tendremos que tener en cuenta que en la corriente alterna existen tensiones positivas y negativas que se van alternado en una duración que será la mitad de la frecuencia, este punto es importante debido a que los diodo tienen una tensión de funcionamiento en polarización directa y otra en la inversa y podremos sobrepasarla para no destruir la unión semiconductora. Para ello tenemos dos opciones:

1ª Solución

Consiste en colocar un diodo en oposición al Led, de forma que cuando no conduzca el Led conduzca el diodo, y ala inversa, lo que supone una caída de tensión de 0,7 voltios en el diodo, no superando los 3 voltios de ruptura del Led. Con esto evitamos la destrucción cuando está polarizado inversamente pero tendremos que limitar la tensión y eso lo podremos conseguir con una resistencia en serie que calcularemos con la fórmula que utilizamos en el apartado Circuito básico en continua. La potencia podremos calcularla con la Ley de Joule (figura 9)

Vamos a calcular un pequeño ejemplo práctico: Sea un diodo Led con una caída de tensión de 1,2 voltios y un intensidad máxima de 20 mA, que se desea conectar a una tensión alterna de 220 voltios.

220 - Vdl1 220 - 1,2 R= ----------------- R = -------------- 22 K

Idl1 10 La potencia de

R1 = VR1 x Il1 = (220 -1,2) x 10 3W

Un inconveniente de esta solución es que la resistencia será muy voluminosa al tener una potencia considerable.

2ª Solución

Para evitar poner un resistencia de 3W podremos colocar un condensador que se comportará como un resistencia al estar frente a una tensión alterna. Al igual que en el circuito anterior tendremos que limitar la intensidad del circuito, como ejemplo vamos a utilizar los datos anteriores. En este caso Rs nos sirve para limitar la intensidad cuando el condensador está descargado ya que se produciría un pico considerable que no soportaría el Led, como valor máximo de pico que puede soportar el Led tenemos: Ipico = 220 / 1 220 mA. Por tanto el valor de la resistencia será:

220 V RS = ------------ = 1 K VRS = 1K x 10 mA = 10V 220 mA

RS = 1K - 1/4 W

Para calcular el valor del condensador se tendrá en cuenta que la tensión en el condensador está desfasada 90º con respecto a la tensión en la resistencias y en el diodo así que aplicando Pitágoras (ver la figura) tendremos que:

VC = ( 2202 - (VR + VLED)2 )1/2 = ( 2202 - (11,2)2 )1/2 219,7 V

Siendo la intensidad del condensador Ic = 10 mA. La resistencia capacitiva será: Tomando un valor normalizado Xc = 22 K

219,7 V XC = --------------- = 21,9 K 10 mA

La capacidad del condensador será:

1 1 C = ---------------- = ----------------------- » 150 nF 2f x XC 100 x 22.103

Podemos ver que con esta solución reducimos el valor de la resistencia sustituyéndola por un condensador de 150 nF que tenga una tensión de trabajo de 400V al ser los 220 eficaces. Como ventajas tenemos que no es tan voluminoso y al haber sustituido la resistencia de 3W no tendremos una disipación de calor tan grande.(figura 10)

¿Qué es un diodo LED?:

• Es un diodo que cuando está en conducción (polarización directa) libera energía en forma de radiación electromagnética visible, de una determinada longitud de onda (color) dependiendo de la tensión característica del diodo.

• Se fabrican como pequeñas lámparas, encapsulando el semiconductor en plástico transparente que puede ser de distintos colores. (rojo, amarillo, naranja, verde etc.)

Características eléctricas necesarias para el cálculo de resistencias:

• La corriente que soportan ronda los 20 mA, y se pueden conectar a cualquier valor de tensión siempre y cuando respetemos esta intensidad máxima. Para ello, y partiendo de varios datos del led que se recogen en su hoja de características, calcularemos una resistencia limitadora que habrá que intercalar en serie con el LED con una formula derivada de la ley del amigo de todos los electrónicos y electricistas

Características típicas de los leds:

Estas características debería dárnoslas el comerciante. Por otro lado, con la referencia del LED se puede buscar la hoja de características técnicas en Internet. Los valores que se reseñan aquí abajo son típicos / orientativos, y no contractuales :D El escribiente no se hace cargo de LEDS petados usando estos datos... :D

Caída de Tensión en sus bornes:

Es la tensión que mediríamos entre las patillas del led mientras este esta iluminado, no es como una bombilla que no tiene resistencia... Esta tensión depende del color (mayor tensión cuanto mas elevada sea la frecuencia de emisión), y además de la naturaleza del LED (normal o alta luminosidad, por ejemplo) pero esta es una buena estimación para realizar los cálculos:

Rojo = 1,6 V Rojo alta luminosidad = 1,9v Amarillo = 1,7 V a 2V Verde = 2,4 V Naranja = 2,4 V Blanco brillante= 3,4 V Azul = 3,4 V Azul 430nm= 4,6 V

Intensidad máxima:

• Normalmente se habla de 20mA máximo, aunque puede soportar picos de muchos mas miliamperios. Para una utilización continua (iluminado durante largos periodos de tiempo) y para cuidar de su salud y no petarlo ;) utilizaremos un valor menor del máximo indicado.

• Se suele usar el valor de 15mA para alargar la vida del LED, es un buen compromiso LUZ / VIDA... usar valores mas altos nos proporcionara, a cambio de menos horas de vida útil, mas intensidad de luz (OJO, hasta un limite!! si el led es flojo por naturaleza, no harás milagros aumentando este valor al hacer los cálculos).

• Todo este riesgo de quemarlo es mas acusado cuanta mas luz da el led (alta luminosidad) y en general, cuanta mas tensión caiga en el. Es decir, los Azules y los Blancos son muy delicados a las sobrecorrientes...

Variables de la fórmula de cálculo de resistencias:

R = Resistencia limitadora en ohmios. V = Tensión de alimentación. VLED = Tensión en bornes del LED, depende del color. I = Corriente máxima soportada por el led (20

Esta formula de arriba es "audaz" pensando en luz mas que en vida útil...

El capítulo "manos a la obra" :

Como la formulita de arriba es un soberano coñazo, la expresare de manera mas "brico-maniatica" para que todos puedan entenderla:

Resistencia = (Tensión Batería al Ralentí - Caída Tensión LED) / Intensidad del LED

Ejemplo de calculo para LED Azul Alta Luminosidad (Caída de Tensión de 3,4 V e Intensidad de uso 15mA)

Resistencia = (13,4 V - 3,4 V) / 15 mA = 666 Ohmios (0,6 K Ohmios)

A que es facil?? :D Recalculemos ahora la resistencia para 20 mA (intensidad máxima):

Resistencia = (13,4 V - 3,4 V) / 20 mA = 500 Ohmios (0,5 K Ohmios)

De aquí deducimos que, a menos valor de resistencia, mas luz, y menos vida para el LED.

Después de realizar este calculo, pediremos la resistencia en la tienda, y nos ofrecerán el valor normalizado que mas se acerque al valor obtenido por arriba y por abajo. Recordad el temita, si nos dan una resistencia de mas valor que el calculado tendremos mas luz, pero cascará antes el LED...

Podemos obviar el calculo de potencia y escoger directamente resistencias de 0,25W que aguantaran de sobra. (Para los mas frikis. multiplicad la caída de tensión por la corriente del LED para obtener la potencia de la resistencia... del orden de 0,05W... :P )

Para meter varios LEDS en serie con una única resistencia, habrá que calcularla restando las caídas de tensión de cada led:

Ejemplo de calculo de resistencia para poner 2 LED Azules de Alta luminosidad (Caída de Tensión de 3,4V por cada uno e intensidad 15mA)

Resistencia = (13,4 V - 6,8 V) / 15 mA = 440 Ohmios (0,4 K Ohmios)

Se desaconseja colocar leds en paralelo con solo una resistencia, al alcanzar la temperatura de funcionamiento se daran variaciones del consumo en los leds debido a sus tolerancias, provocando alteraciones de luminosidad o casques...

Obviamente, se pueden colocar en paralelo cada uno con su resistencia... ;)

Consejo final de cálculo para chispillas inquietos:

Casi siempre he hecho los cálculos para 20 mA sin problemas... Para LEDS rojos a veces hasta para 25 mA, jijiji, pero bajo vuestra responsabilidad y riesgo!! Nota: Los LEDS rojos aguantan mas que los azules.

El circuito:

Ánodo (+) y Cátodo (-) de un LED:

• La patilla mas larga es el Ánodo (+) • La mas corta, y el chaflan del encapsulado corresponden al Cátodo (-) • Truco "fonético" para acordarse del patillaje: Corto / Cátodo (y "corto" siempre será "menos" "-" )

Ejemplo del circuito a montar, la resistencia se suele colocar en el Ánodo (+); Un led rojo con una resistencia en serie:

Ejemplo de circuito, dos leds en serie con una resistencia:

Puedes comprobar el valor de la resistencia según la leyenda en forma de anillos de colores que lleva:

Precaución: este circuito se conecta directamente a la línea de alimentación (120 / 240 voltios c.a.), por lo que hay que tener especial cuidado a la hora de hacer las pruebas.

Este circuito alimenta uno o dos diodos LED (diodo emisor de luz) conectándolo directamente a la alimentación del tomacorriente (120 / 240 Voltios de corriente alterna.)

Se logra disminuir el voltaje de alimentación hasta un voltaje que pueda utilizarse en un diodo LED.

Esto se logra con ayuda de un capacitor (condensador) y una resistencia (resistor).

Si se desea alimentar sólo un diodo LED se reemplaza un diodo LED por un diodo rectificador normal. El primer diodo LED dará paso al semiciclo negativo de la onda y el segundo LED al semiciclo positivo.

Hay que aclarar que si se desea alimentar sólo un diodo LED es obligatorio poner un diodo común que reemplace al diodo LED que se desea retirar, pues si no se hace, el ciclo que polarice al diodo LED que queda en inverso (intenta hacer pasar corriente en sentido opuesto a la flecha), lo quemaría.

La resistencia de 1 Kilohmio (1000 ohmios) se utiliza para evitar posibles picos de corriente.

Si la alimentación es de 110 / 120 Voltios, 60 Hertz

Con un capacitor sin polaridad de 0.47 uF se tiene una reactancia de 5.643 ohmios, que permitirá el paso de 21.3 mA (miliamperios) por el o los LED(s)

Si la alimentación es de 220 / 240 Voltios, 50 Hertz

Con un capacitor de 0.22 uF sin polaridad se tiene una reactancia de 14.468 ohmios, que permitirá el paso de 16 mA (miliamperios) por el o los LED(s)

Las fórmulas que se utilizaron son:

Xc = 1 / (2 ∏ f C). Fórmula de la reactancia capacitiva

I = V / Xc. Ley de Ohm para la reactancia capacitiva

Donde:- ∏ = 3.1416- f = 0 frecuencia (50 o 60 Hertz)- C = valor del capacitor en faradios- V = voltaje- I = corriente- Xc = reactancia capacitiva

Nota: el efecto de la resistor de 1 Kilohmio se desprecio pues la mayoría de la caída de voltaje que se aplica al circuito se da en el capacitor (condensador)

Lista de componentes

- Resistores: 1 de 1 K (0.5 watts)- Capacitores:- 1 de 0.47 uF., sin polaridad, de 200 voltios o más, si el circuito se alimenta con 120 V.- 1 de 0.22 uF., sin polaridad, de 300 voltios o más, si el circuito se alimenta con 240 V.- Otros: 2 diodos LED comunes, 1 diodo común 1N4001 (D)

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Luz de emergencia con SCR y batería recargableLuz de emergencia

Este sistema de luz automática de emergencia enciende una o más lámparas, cuando el fluido de corriente eléctrica se interrumpe.

La lámpara funcionará con una batería (la que utilizan los carros, motocicletas, etc.) que estará bajo constante carga mientras haya fluido eléctrico.

El sistema carga la batería en el ciclo positivo de la onda que se rectifica por el diodo D1.

La corriente que pasa por el diodo pasa también por el resistor R1 de 2 Ohms que se utiliza para compensar la diferencia de voltajes entre la batería y la que viene del diodo cuando está es muy alta.

Mientras exista voltaje en el secundario del transformador, el cátodo del SCR esta a un nivel de voltaje alto y éste no se dispara, el SCR no conduce y por lo tanto no circula corriente por la lámpara.

Cuando el fluido eléctrico se interrumpe, en el secundario del transformador no hay voltaje y el voltaje en el cátodo del diodo D1 cae a tierra a través del secundario del transformador.

El tiristor (SCR) se dispara por el voltaje de la misma batería cargada a través del resistor R2 de 1K.

Cuando el fluido de corriente regresa, el sistema automáticamente entra en el proceso de carga de la batería en que estaba antes de que el fluido eléctrico faltara.

Lista de componentes para Luz de emergencia

- Diodos: D1: 1 de 3 a 10 Amperios (NTE 156A), D2: 1N4001

- SCR (Silicon Controled Rectifier): SCR GEC106F1 o NTE 5454 o equivalente

- Resistores: 1 R1 = 2 Ohms (ohmios) / 2 Watts (vatios), 1 R2 = 1KΩ / 0.5W, 1 R3 = 100 Ohms / 0.5 W.

- Capacitores: 1 capacitor de 100 uF (microfaradios) / 25 Voltios, electrolítico. (C1)

- Otros: 1 transformador 110V/220V a 12.6 Voltios, 2 Amperios.(T1), 1 lámpara de 12 Voltios. (Lamp.), 1 batería de plomo para cargar (de automóvil o motocicleta)

Circuito Impreso y Previsualización del circuito

El circuito impreso (lado izquierdo) se visualiza desde el lado de los componentes. El transformador no se incluye en el mismo. Se recomienda su revisión antes de implementarlo.

Nota: La presentación del circuito terminado es un estimado del resultado final.

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