FUNCIONAMIENTO DEL DIODO LED
La estructura del chip de los diodos LED, al contrario de lo que ocurre con los diodos comunes, no emplea cristales de silicio (Si) como elemento semiconductor, sino una combinación de otros tipos de materiales, igualmente semiconductores, pero que poseen la propiedad de emitir fotones de luz de diferentes colores cuando lo recorre una corriente eléctrica.
Un diodo LED emisor de luz roja, por ejemplo, emplea un chip compuesto por arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), mientras que para emitir luz azul utiliza un chip de nitruro de galio (GaN). Todas las combinaciones empleadas en la fabricación del chip de un diodo LED, poseen también dos polaridades o regiones diferentes: una negativa “N” correspondiente al cátodo y otra positiva “P” correspondiente al ánodo, al igual que ocurre con los diodos comunes de silicio (Si).
Para crear un diodo LED se unen también dos regiones “N” y “P”, como si de un diodo común se tratara. En el punto de unión o juntura de esas dos regiones se forma, igualmente, una barrera de potencial, cuya función es impedir el paso de los electrones desde la región negativa “N” hacia la positiva “P” cuando no se encuentran debidamente polarizados y los electrones no poseen la suficiente energía para poder atravesarla.
Cuando aplicamos a los extremos del LED una tensión o voltaje que permita polarizarlo directamente, los electrones provenientes de la fuente de suministro de corriente directa (C.D.) comienzan a fluir a través del diodo. Bajo esas condiciones, cada vez que un electrón en exceso con carga negativa (–) presente en la región “N” adquiere la suficiente energía como para poder vencer la resistencia que le ofrece la barrera de potencial, la atraviesa y se combina con un hueco positivo en exceso en la región “P”. En el mismo instante que ocurre esa combinación, la energía en exceso que adquirió dicho electrón para poder atravesar la barrera de potencial, se transforma en energía electromagnética, que libera, en ese preciso momento, en forma de fotón de luz.
Simulación del ingreso de electrones dentro de la órbita incompleta de un átomo. Cuando por cualquier circunstancia un electrón libre poseedor de exceso de energía pasa a ocupar el lugar que ha dejado otro electrón en una órbita en la que ha quedado un hueco, dicha energía la libera en forma de fotón de luz. El color de la luz del fotón emitido dependerá en cada caso del material o elemento químico al que pertenece el átomo. En esta ilustración simulada se muestran tres electrones emitiendo fotones de luz de diferentes colores cuando ingresan al interior de una órbita donde existen huecos que han dejado libres otros electrones. Es necesario aclarar que en el caso del LED, el color de cada fotón corresponde, en realidad, a átomos pertenecientes a diferentes materiales y no a un mismo átomo como aparece representado en esta ilustración, que se muestra así sólo a modo de referencia.
El color de la luz emitida por los fotones de un LED en particular se corresponde con una determinada frecuencia del espectro electromagnético visible al ojo humano. Sin embargo, existen LEDs cuya luz no es visible, como ocurre con los materiales que emiten fotones de rayos infrarrojos “IR” y ultravioletas “UV”. En cualquier caso, la luz y color de un determinado LED depende de la composición química de los materiales semiconductores utilizados en la fabricación del chip.
Cuando a un diodo LED le aplicamos corriente eléctrica procedente de una batería o de cualquier otra fuente de corriente directa (C.D.) con el fin de polarizarlo directamente, los electrones comienzan a fluir desde la región “N” (cátodo) hacia la región “P” (ánodo). Cada vez que un electrón atraviesa la barrera de potencial que se forma en el punto de unión o juntura entre ambas regiones del diodo para unirse a un hueco emite, simultáneamente, un fotón de luz. De esa forma el electrón libera el exceso de energía que adquirió previamente para poder ingresar en la órbita de un átomo que posea un hueco libre. La luz y color correspondiente a la energía que libera el electrón cuando eso ocurre, puede que sea visible o no al ojo humano, cuestión ésta que depende de la composición química de los materiales semiconductores que se han utilizado para fabricar el diodo.
ESTRUCTURA INTERNA DE UN DIODO LED COMÚN
Un diodo LED común se compone de las siguientes partes: 1.- Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi, que hace también función de lente convexa. La existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en una sola dirección. 2.- Cápsula de resina epoxi protectora del chip. 3.- Chip o diodo semiconductor emisor de luz. 4.- Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip emisor de luz. 5.- Base redonda de la cápsula de resina epoxi. Esta base posee una marca plana situada junto a uno de los dos alambres de conexión del LED al circuito externo, que sirve para identificar el terminal negativo (–) correspondiente al cátodo del chip. 6.- Alambre terminal negativo (–) de conexión a un circuito eléctrico o electrónico externo. En un LED nuevo este terminal se identifica a simple vista, porque siempre es más corto que el terminal positivo. 7.- Alambre terminal positivo (+) correspondiente al ánodo del chip del diodo, que se utiliza para conectarlo al circuito externo.8.- Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el terminal positivo (+) y con el ánodo del chip.
Estructura interna del chip de un diodo LED. En esta ilustración el chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento semiconductor. Aquí la corriente de electrones “I” que parte del polo negativo (–) de la batería “B”, penetra en el diodo LED por el cátodo (negativo), correspondiente a la región “N”. Cuando a este chip se le aplica un voltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los electrones adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones que lo componen. Desde el mismo momento que la batería “B” suministra a los electrones
El chip de un diodo LED común no se considera una “lámpara” propiamente dicho como ocurre con otras fuentes de iluminación o bombillas más tradicionales. Para que sea considerado como tal, además del chip emisor de luz en sí, tiene que contener también otros elementos adicionales, como son: un controlador electrónico o driver, un disipador de calor y componentes ópticos apropiados, tal como poseen las “lámparas LED” de alta potencia luminosa utilizadas para su uso en alumbrado general.
PARTES DE UNA LÁMPARA LED DE ALTA POTENCIA LUMINOSA
Las partes integrantes de una lámpara LED de alta potencia luminosa son las siguientes:
1.- Chip.- Constituye el elemento fundamental del LED, que no debe fallar en largo tiempo si constructivamente ha sido bien diseñado y los materiales utilizados son de calidad. Cuando el color de la capa de fósforo que recubre el chip es de color amarillo obscuro (ocre), emitirá luz “cálida” (warm light), similar a la de una lámpara halógenade igual cantidad de lúmenes, con la diferencia que consumirá menos energía eléctrica en watt.
Por ejemplo, la intensidad de luz que emite una lámpara LED de alta potencia luminosa de 3,5 watt de consumo eléctrico es prácticamente similar a la que emite una lámpara halógena que consuma 20 ó 25 watt. Contrariamente, cuando la capa de fósforo que recubre el chip es de un color más claro (amarillo limón), emitirá entonces “luz fría” (cool light), similar a la de una lámpara fluorescente común de tubo recto o circular, o de una CFL de similares características.
Lámparas LED compuestas por tres chips de alta potencia luminosa. La capa de fósforo gruesa que recubre los chips de la lámpara izquierda tiene un color amarillo obscuro (ocre), lo que permite que ésta emita luz cálida, mientras que la lámpara derecha, cuyos chips están recubiertos por una capa de fósforo más delgada (color amarillo limón), emite “luz fría”.
2.- Disipador de calor.- Este es un elemento imprescindible de utilizar en una lámpara LED de alta potencia luminosa. Su función es disipar la temperatura que se genera en el punto de unión o juntura del diodo LED cuando la lámpara se encuentra encendida, ayudando a mantenerla dentro de un de un rango adecuado. Un disipador mal diseñado puede ocasionar la destrucción del chip del LED.
3.- Controlador o “driver”.- Su función es controlar el sistema electrónico de trabajo del LED de alta potencia luminosa. Este controlador permite que las lámparas LED de alta potencia luminosa puedan funcionar con corriente alterna (C.A) de la red eléctrica doméstica, en lugar de corriente directa (C.D.).
4.- Componente óptico.- Puede proporcionar un mayor o menor ángulo de difusión de la luz, pues la que emite el LED se difunde, normalmente, de forma unidireccional. En el caso de la lámpara que se ilustra al inicio de esta sección, el diseño del componente óptico está formado por pequeñas lentes, que permiten que la luz se difunda en un ángulo de 120º.
Cuando la cantidad de horas de uso continuo de una lámpara LED es prolongada, el componente óptico puede adquirir una coloración amarillenta, por lo que con el transcurso del tiempo tiende a obstruir el paso de la luz que emite el chip.
Por norma general, otras fuentes de luz artificial tradicionalmente utilizadas para uso en iluminación en general difunden los haces de forma omnidireccional, o sea, parten de la lámpara y se difunden uniformemente en todas direcciones. Todos los diodos LED, por el contrario, emiten la luz de forma unidireccional, pues los fotones parten en línea recta a partir de la superficie plana del chip. Por ese motivo, para que el una lámpara LED de alta potencia luminosa pueda abarcar un ángulo más amplio de iluminación, de entre 90 y 140 grados, requiere estar dotada de sistemas de reflexión y lentes más complejas.
En esta ilustración se puede observar, de forma esquemática, una lámpara halógena(1), cuyo haz de luz se difunde, prácticamente, de forma omnidireccional cubriendo, aproximadamente, un ángulo de unos 360º de circunferencia. En (2) se representa un diodo LED común que emite el haz de luz de forma unidireccional o lineal a partir de la superficie plana de su chip. El diodo (3) corresponde, por su parte, a la emisión de una lámpara LED de alta potencia luminosa. El componente óptico que posee proporciona que el haz de luz que normalmente emite el chip de forma unidireccional se expanda y pueda difundirla en un ángulo de entre 90º y 140º.
CALENTAMIENTO DE LOS DIODOS LED
En los diodos LEDs más comunes de poca potencia, la emisión de fotones que se produce en la unión o juntura P-N del chip desprende muy poca cantidad de calor, la que normalmente se disipa a través de la propia cápsula o envoltura de resina epoxi que recubre y sirve de protección al propio chip. Esa poca emisión de calor también se disipa a través de los dos alambres que se emplean para conectar el LED al circuito eléctrico o electrónico. Sin embargo, los LED de alta potencia luminosa utilizados para alumbrado en general, se calientan mucho más en el punto de unión o juntura de las regiones “P” y “N”, por lo que para mantener esas lámparas a una temperatura de funcionamiento adecuada necesitan estar dotadas de un disipador externo de calor.
Lámpara LED de luz cálida y alta potencia luminosa, de 3,5 watt de potencia de consumo eléctrico, dotada con rosca común E-27 (Edison) y 170 lúmenes (lm) de flujo luminoso (similar al que posee una lámpara halógena de 25 watt). Para evacuar la temperatura que genera el LED de estas lámparas, su estructura externa está provista con un disipador de calor.
Generalmente el voltaje o tensión que requieren los LEDs comunes para funcionar es relativamente bajo y se encuentra comprendida dentro de un rango de entre 1 y 4 volt (V) de corriente directa (C.D.) aproximadamente, mientras que la corriente máxima que soportan oscila entre 10 y 40 mA (miliampere), según sea la composición de los materiales empleados para fabricar el chip.
Como el chip de un LED se puede dañar por sobrecalentamiento, la potencia luminosa de aquellos que deben trabajar de forma continua no deben superar los 150 lúmenes. Los que sobrepasen esa cantidad deberán poseer disipador de calor para poder funcionar ininterrumpidamente sin presentar problemas.
El tiempo de vida útil de un LED se calcula, teóricamente, entre 30 mil y 50 mil horas como máximo, lo cual depende de varios factores, principalmente de la calidad de los materiales empleados en su fabricación y de su correcta utilización.
La siguiente tabla muestra un cálculo de los años de servicio que, teóricamente, debe proporcionar un diodo LED, de acuerdo con las horas de uso al día, suponiendo que realmente su vida útil pueda alcanzar las 50 mil horas.
COLOR Y TEMPERATURA DE COLOR EN GRADOS KELVIN (ºK) DE UN DIODO LED
Para obtener directamente luz de diferentes colores, los diodos LED se fabrican con una gran variedad de combinaciones de materiales semiconductores como son, por ejemplo: arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), fosfuro de galio (GaP), fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), nitruro de galio e indio (GaInN) y otras combinaciones más.
Izquierda.- Lámpara LED multicolor diseñada para su empleo en la iluminación nocturna del agua de las piscinas. Esta lámpara se compone de múltiples triadas de diodos LEDs de colores primarios (RGB), que cuando se iluminan la mezcla de sus luces se percibe de diferentes colores, según sea la variación de la intensidad luminosa de cada LED en un momento dado. La lámpara que aparece en esta foto funciona con 12 volt (V) de corriente alterna (C.A.) y tiene un consumo de energía eléctrica de 25 watt. La parte frontal posee un diámetro de 16,5 cm y un fondo de 13,5 cm, incluyendo un casquillo normal de rosca Edison (E-27). Derecha.- Fragmento de la parte frontal de la misma lámpara, donde se puede observar la disposición de las triadas de diodos LED, cuando se encuentra apagada.
Piscina iluminada de noche con lámparas LED multicolor.
Hasta ahora ninguna combinación de materiales semiconductores proporciona directamente luz blanca. Para obtenerla se emplean dos técnicas diferentes: una de ellas emplea una triada de LEDs de colores primarios RGB (Red-Green-Blue / rojo-verde-azul), o lo que es igual, múltiples grupos de tres LEDs que emiten, de forma independiente, esos tres colores que al mezclarse el ojo humano los percibe como luz blanca, o con diferentes tonalidades de colores, cosa que ocurre al variar, de forma independiente, la intensidad luminosa de cada grupo de LED emisor de luz de un mismo color.
Otra técnica utilizada para obtener luz blanca es por medio de un solo LED que normalmente emite luz azul o cercana al ultravioleta. Para obtener luz blanca de ese LED, su chip se recubre con una capa de fósforo que absorbe o filtra la luz azul que éste emite. Cuando esa capa de fósforo es gruesa tiene un color amarillo obscuro (ocre) y en ese caso nuestro sentido de la vista percibe la luz que emite el chip como “cálida” (warm light), equivalente a la de una lámpara halógena. Por el contrario, cuando la capa de fósforo es más delgada, su color es amarillo claro, por lo que filtra menos la componente de luz azul que emite el chip. En ese caso la luz se percibe como “blanca fría” (cool light), similar a la de una lámparafluorescente tradicional de tubo recto o circular, o una CFL de similares características.
A la luz cálida le corresponde, generalmente, una temperatura de color por debajo de los 3 400 K (kelvin), mientras que a la luz fría o de tonos azulados le corresponde una temperatura de color por encima de los 3 600 K.
Como aclaración y para evitar confusiones, la temperatura de color en grados kelvin (K) no guarda ninguna relación con la sensación de frío o calor que percibe el cuerpo humano al variar la temperatura ambiente, sino que sólo responde a la forma en que el ojo humano percibe los colores, a saber: los tonos azules y violáceos como “fríos”, mientras que los amarillos y rojizos como “cálidos”, de la misma forma que se considera en pintura.
Cambio de tonalidad de la luz, según varían los kelvin (K) correspondientes a la temperatura de color. En la ilustración podemos observar que hacia la izquierda la luz es más cálida, llegando a alcanzar un tono rojizo a medida que disminuyen los kelvin, mientras que hacia la derecha la luz se hace más fría, llegando a adquirir un tono azulado a medida que aumentan los kelvin.
Por norma general, la intensidad de luz que emiten las lámparas incandescentes, halógenas y de otros tipos de uso común en alumbrado se puede determinar, de forma aproximada, conociendo los watt de consumo eléctrico de cada una. Sin embargo, en el caso de las lámparas LED es más importante conocer, en primer lugar, los lúmenes de flujo luminoso que emite cada una en particular antes que su potencia de consumo eléctrico en watts (W). Por ejemplo, una lámpara LED de 3,5 watt de consumo eléctrico que emite “luz cálida” (warm light), puede tener un flujo luminoso de 170 lúmenes (lm), mientras que la misma lámpara diseñada para emitir “luz fría” (cool light) puede tener un flujo luminoso más intenso, por ejemplo de 210 lúmenes, e iluminar con mayor intensidad.
Esa diferencia se debe a que al ser más gruesa la capa de fósforo que recubre el chip de la primera lámpara para obtener luz cálida, absorbe más componente de luz azul, mientras que en el caso de la segunda, al ser más delgada dicha capa, filtra menos la componente de luz azul. Sin embargo, el consumo de potencia eléctrica en watts es el mismo (3,5 W) para ambas lámparas, a pesar de la diferencia apreciable en lúmenes de flujo luminoso que emite cada una de éstas.
Además de lo recomendable que resulta a la hora de adquirir una lámpara LED de alta potencia luminosa conocer cuál es su flujo luminoso en lúmenes en lugar de los watts de energía eléctrica que consume, es necesario conocer también a cuántos kelvin corresponde la temperatura de color de la luz que emite para poder escoger entre una que emita luz cálida u otra que emita luz fría. Estos datos deben aparecer normalmente impresos en el blíster o empaque de la lámpara cuando la adquirimos en la tienda. No obstante, en algunos casos en lugar de lúmenes lo que aparece reflejada, a modo de comparación, es la equivalencia en watt de consumo que tendría una lámpara halógena con una potencia luminosa similar a la que emite ese LED.
Muestra de lámparas LED con diferentes tipos de casquillos y conectores:
- A.- Casquillo de rosca Edison (E-27).
- B.- Casquillo de rosca candelabro (E-14).C.- Conector GU10.
- [Estas tres primeras lámparas se fabrican para trabajar con 110 volt, o con 220 volt de corriente alterna (C.A.)].
- D.- Conector GU5.3, para trabajar con 12 volt de corriente alterna.
ORIGEN DEL PROYECTO: http://www.asifunciona.com/fisica/af_leds/af_leds_3.htm
ESTE ARTICULO Y SUS FOTOGRAFIAS TIENEN DERECHOS DE AUTOR , SON SOLO PARA SU DIFUSION SIN ANIMO DE LUCRO Y A TITULO INFORMATIVO , TIENEN LA OBLIGACION DE CONSULTARLO Y COMENTARLO EN SU WEB ORIGINAL.
Los sitios y publicaciones a los que se enlaza desde esta página son solo propiedad de sus respectivos autores.
Los contenidos de los post publicados en Alicante en la Mochila son de responsabilidad exclusiva de sus respectivos autores.
