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LEDS Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS

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OBJETIVOS .

Objetivos de la Práctica.

Analizar matemática y físicamente el comportamiento del diodo semiconductor de Silicio en redes de circuitos electrónicos.

Analizar matemática y físicamente el comportamiento del diodo semiconductor de Germanio en redes de circuitos electrónicos.

Implementar de redes de circuitos electrónicos.

Objetivos de la Investigación.

Comprender el funcionamiento físico y estudiar las características del Diodo Emisor de Luz(LED).

Estudiar el funcionamiento y características de una de las aplicaciones de los LED: El Display de 7 Segmentos.

INTRODUCCION

Dentro de la familia de semiconductores hay uno que tiene la particular característica de emitir luz. La existencia de este tipo de dispositivos ha abierto un amplio campo de investigación. Este nuevo campo de investigación es la Optoelectrónica.

La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. En esta área juega un papel importante el LED. Que está cada vez mas de moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato electrónico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos mas, o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo que nos avisa que las pilas ya han agotado y que deben cambiarse. Una forma mas avanzada de LED: el LED láser es usado para generar el impulso luminoso que atraviesa las redes de fibra óptica, importante para las transmisiones de banda ancha.

Otra importante aplicación de los Diodos Emisores de Luz es el Display de 7 Segmentos que se utiliza para mostrar información acerca del estado de un aparato electrónico. Básicamente es una forma de representar los dígitos del sistema numérico que utilizamos actualmente, (0-9). En este trabajo se estudian las características y funcionamiento de este dispositivo.

DIODO EMISOR DE LUZ

Un LED (Light Emitting Diode- Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite radiación visible, infrarroja o ultravioleta cuando se hace pasar un flujo de corriente eléctrica a través de este en sentido directo. Esencialmente es una unión PN cuyas regiones P y regiones N pueden estar hechas del mismo o diferente semiconductor. El color de la luz emitida está determinado por la energía del fotón, y en general, esta energía es aproximadamente igual a la energía de salto de banda del material semiconductor en la región activa del LED.

Los elementos componentes de los LED's son transparentes o coloreados, de un material resina-epoxy, con la forma adecuada e incluye el corazón de un LED: el chip semiconductor.

Los terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e indican cómo deben ser conectados al circuito. El lado negativo está indicado de dos formas:

1) por la cara plana del foco o,

2) por el de menor longitud. El terminal negativo debe ser conectado al terminal negativo de un circuito.

Los LED's operan con un voltaje relativamente bajo, entre 1 y 4 volts, y la corriente está en un rango entre 10 y 40 miliamperes. Voltajes y corrientes superiores a los indicados pueden derretir el chip del LED.

La parte más importante del "light emitting diode" (LED) es el chip semiconductor localizado en el centro del foco, como se ve en la figura1.

El chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región P está dominada por las cargas positivas, y la N por las negativas. La juntura actúa como una barrera al paso de los electrones entre la región P y la N; sólo cuando se aplica el voltaje suficiente al chip puede pasar la corriente y entonces los electrones pueden cruzar la juntura hacia la región P.

Si la diferencia de potencial entre los terminales del LED no es suficiente, la juntura presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.

 

Figura 1. figura de un led y su chip semiconductor

 

El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente de los dopados.

En la tabla adjunta (tabla a) aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados junto con los colores conseguidos:

Material

Longitud de Onda

Color

Vd Típica

AsGa

904 nm

IR

1 V

InGaAsP

1300 nm

IR

1 V

AsGaAl

750-850 nm

Rojo

1,5 V

AsGaP

590 nm

Amarillo

1,6 V

InGaAlP

560 nm

Verde

2,7 V

Csi

480 nm

Azul

3 V

 

Tabla a. Materiales para la fabricación de un diodo y color obtenido 

Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura 2, se muestra el símbolo electrónico de este tipo de diodo. Las flechas indican la radiación emitida por el diodo.

 

Figura 2. Símbolo electrónico del diodo emisor de luz (led)

Funcionamiento físico de un LED.

Al polarizar directamente un diodo LED (figura 3 y 4) conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; produciéndose, por consiguiente una inyección de portadores minoritarios.

Figura 3. Diodo emisor de luz con la unión polarizada ensentido directo

 

 

Figura 4.Diodo emisor de luz con la unión polarizada en sentido directo.

 

 Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen.

La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida.

En el análisis de un circuito, el diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. Sin embargo conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio monocristalino ya que el silicio monocristalino es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa VD depende del material con el que este fabricado el diodo.

Cuando se utilizan LED’s con tensión alterna se suele utilizar el esquema de la figura 5:

Figura 5. Diodo Led En Alterma

En este esquema se utiliza para que el diodo LED no se encuentre nunca polarizado en inversa. Al situar un diodo normal en antiparalelo, la tensión máxima en inversa entre las terminales del LED es de 0.7 volt. Esto se realiza así porque un diodo LED puede resultar dañado más fácilmente que un diodo normal cuando se le aplica un polarización inversa.

Control de un LED

Un LED puede ser activado por corriente continua, por impulsos o corriente alterna.

Por corriente continua

El circuito típico empleado se mostró en la figura ante anterior. El control de la corriente se realiza por medio de la resistencia R y su valor es:

R = (E – Vf)/ If

Siendo E la tensión de alimentación, Vf la tensión en bornes del LED e If la corriente que lo atraviesa. La tensión E debe ser, por lo menos, dos veces la tensión Vf. Para los colores rojo, anaranjado y amarillo se recomienda un valor de If de 5 a 15 mA, mientras que para el ver de se recomienda de 10 a 20 mA. Los parámetros para un LED de color azul son bastante diferentes, ya que presentan una Vf = 5v. y una corriente If de 60 mA para una intensidad luminosa de 50 mcd.

En régimen de impulsos.

Éste es el método más empleado, ya que el LED presenta una mayor fiabilidad y ofrece las siguientes ventajas frente al método anterior:

a) La intensidad luminosa puede ajustarse variando la amplitud o el ancho del impulso aplicado.

b) Genera mayor intensidad luminosa para una misma corriente media.

¿ Cómo se determina la amplitud de los impulsos?

Cuando se realiza el control del LED por impulsos hay que determinar la amplitud de los mismos de la siguiente manera:

  1. Determinar la frecuencia y la duración del ciclo definidos por la aplicación.
  2. Basándose en gráficas de los fabricantes, determinar la relación entre la corriente máxima de pico y la corriente directa máxima.
  3. Con ayuda de las gráficas también, determinar la corriente directa máxima. Este valor disminuye para temperaturas mayores de 50 ºC.

Comparando con el control por corriente continua, para la misma corriente media, el control por impulsos ofrece una mayor intensidad luminosa media y una menor disipación de potencia.

El funcionamiento impulsional de los LED’s provoca un fenómeno de percepción conocido como " luz enriquecida ". Este fenómeno es debido en parte a la retención del ojo de altos niveles de brillo, como los producidos por un destello de luz. Este fenómeno sólo aparece en los dispositivos de GaAsP debido a que este material no satura en condiciones de elevadas corrientes.

Cuando el ojo humano es el detector de la energía visible, la menor energía es consumida en funcionamiento impulsional. Esto es una ventaja especialmente importante en equipos alimentados por baterías y cuando hay que controlar grandes conjuntos de LED’s.

En corriente alterna.

Cuando un diodo LED se conecta a un circuito de alterna hay que prever una protección contra la tensión inversa si se espera exceder el valor máximo de Vr.

Características, formatos y variedades de los LED

Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la elección del modelo más adecuado para la aplicación concreta a que se le va a destinar, son los siguientes:

Eficiencia.

Es la relación entre la intensidad luminosa emitida, medida en unas unidades denominadas milicandelas (mcd) y la corriente eléctrica en mA que produce dicha radiación. Se representa por Iv. Los valores normales oscilan entre los 0,5 y 2 mcd a 20 mA. Pero los de alta eficiencia alcanzan hasta las 20 mcd a 10 mA.

El color depende de la energía de los fotones y de la frecuencia de la radiación, existiendo tres que son los que han estandarizado la mayoría de los fabricantes, se trata del rojo, verde y amarillo-anaranjado. En el caso de LED de infrarrojos, la radiación no será visible y, por tanto, este factor no existirá.

Para caracterizar la eficacia en la generación de fotones se definen una serie de parámetros:

Eficiencia cuantica interna

Es la relación entre el número de fotones generados y el número de portadores (electrones y huecos) que cruzan la unión PN y se recombinan. Este parámetro debe hacerse tan grande como sea posible. Su valor depende de las probabilidades relativas de los procesos de combinación radiante y combinación no radiante, que a su vez dependen de la estructura de la unión, el tipo de impurezas, y sobre todo, el material semiconductor.

Sin embargo, la obtención de una alta eficacia cuántica interna no garantiza que la emisión de fotones del LED sea alta. La radiación generada en la unión es radiada en todas las direcciones. En especial que sea radiación generada en el interior del material pueda salir de él. A la relación entre el número de fotones emitidos y el número de portadores que cruzan la unión PN se le llama eficiencia cuántica externa.

Las causas de que sea menor son tres:

a) Solo la luz emitida en la dirección de la superficie entre el semiconductor y el aire es útil.

b) En la superficie entre el semiconductor y el aire se pueden dar fenómenos de reflexión, quedando los fotones atrapados en el interior del material.

c) Los fotones pueden ser absorbidos por el material para volverse a formar un par electrón-hueco.

La directividad.

Está definida por el máximo ángulo de observación de luz que permite el tipo concreto de LED, respecto al eje geométrico del mismo.

Este parámetro depende de la forma del encapsulado, así como de la existencia o no de una lente amplificadora incluida en el mismo.

En los modelos de mayor directividad este ángulo es pequeño y tienen la apariencia de producir una intensidad luminosa más elevada que los otros, en los que la luz se reparte sobre una superficie mucho mayor.

Cada modelo de LED dispone de una curva de directividad en la que se representa el nivel de intensidad luminosa en función del ángulo de observación. Esta curva resulta de mucha utilidad para la elección de un modelo determinado.

El efecto cristalino

Las lentes de los primeros LED’s fueron diseñadas para permitir el paso de la máxima cantidad de luz en la dirección perpendicular a la superficie a la superficie de montaje. (Figura 6)

 

 

 

 Figura 6. Efectos producidos según la Utilización de la lente

Más tarde, la luz producida fue mayor y sus lentes se diseñaron para difundir la luz sobre una amplia área, permitiendo mayores ángulos de visibilidad. Posteriormente aparecieron en el mercado los LED’s de alta luminosidad y una gran variedad de lentes epoxy color rojo fueron incorporadas para difundir la luz en una amplia área de emisión, produciendo una sensación más agradable a la vista que las lentes que concentran la luz en un punto.

La figura 7 muestra los efectos de añadir cantidades de difusores rojos al material epoxy de la lente.

figura 7. Efectos al añadir difursores al material epoxy

La tensión directa (VF).

Es el voltaje que se produce entre los dos terminales del LED cuando le atraviesa la corriente de excitación. Esta comprendida entre 1,5 y 2,2 v. para la mayoría de los modelos.

La corriente inversa (Ir).

Es la máxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una polarización inversa. Valores típicos de este parámetro se encuentran alrededor de los 10 uA.

Disipación de potencia.

Es la fracción de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiación visible, teniéndola que disipar al ambiente en forma de calor. En las aplicaciones clásicas de los LED’s se necesita una resistencia en serie con el mismo, con la misión de limitar la corriente que circula por él.

Identificación.

La indicación de la polaridad de los terminales se realiza haciendo que el terminal que corresponde al ánodo tenga una longitud mayor que el del cátodo. Además, se añade un pequeño aplanamiento en la cápsula en una zona próxima al terminal catódico.

Y si no se identifica, hay que fijarse en los terminales interiores, uno es más pequeño que el otro. Ese es el ánodo.

Y como último recurso recurre al ohmiómetro de tu polímetro. Harás dos medidas cambiando las pinzas y si está bien obtendrás dos medidas de ohmios: una próxima a cero y otra de un valor óhmico alto.

Fiabilidad de los LED’s

Existen tres tipos de fallos:

a) Fallo infantil:

El LED se destruye durante el quemado inicial ("burn in") debido a fallos en el proceso de fabricación.

b) Fallo por malformación:

"freak failure"; el LED se destruye después del ("burn in") debido a fallos no manifestados hasta ese momento.

c) Fallo por envejecimiento:

El LED se degrada y envejece tonel tiempo.

  • Para comunicaciones interesa conocer la pérdida de potencia con el tiempo.
  • La degradación con el tiempo se debe a un aumento de la recombinación no radiante (en los LED’s este fallo es catastrófico).

Formatos y variedad de los LED’s.

Existe una gran variedad de formas, intensidades luminosas, dimensiones, colores, etc. Hay diversas empresas que ofrecen dispositivos que mejoran la eficiencia en la utilización de los LED, creando un soporte externo a éste que en la mayoría de casos es más bien de tipo mecánico. Por ejemplo, una de ellas, además de los LED’s con encapsulado SMD, los intermitentes que incorporan un circuito integrado en su interior para generar intermitencias de 3 Hz., y las matrices de LED’s miniatura, se dedica a fabricar principalmente reflectores, monturas, soportes, LED’s con cablecillos etc.

Diferentes formas de representación de caracteres con LED’s. (figura 8 y 9)

figura 8. Esquemas de aplicaciones de LED’s. Display de 7 segmentos

Figura 9. Esquemas de aplicaciones de LED’s

 

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