LEDS Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS

• Objetivos
• Introduccion
• Diodo
  emisor de luz
• El display de 7
  segmentos
• Conclusiones
• Bibliografia
• Anexos

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:

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