Los LEDs son diodos que emiten
luz cuando son
conectados a un circuito.
Su uso es frecuente como luces "piloto" en aparatos
electrónicos para indicar si el circuito está
cerrado.
Los elementos componentes son transparentes o
coloreados, de un material resina-epoxi, 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 LEDs 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
figura.
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.
¿QUÉ
CAUSA LA EMISIÓN DE LUZ DE UN LED Y
QUÉ DETERMINA EL COLOR DE LA
LUZ?
Cuando se aplica una ddp al chip del LED los electrones
pueden moverse fácilmente sólo en una dirección a través la juntura entre
p y n. En la región p hay muchas cargas positivas y pocas
negativas. En cambio en la
región n hay más cargas negativas que positivas.
Cuando se aplica tensión y la corriente empieza a fluir,
los electrones en la región n tienen suficiente
energía para cruzar la juntura hacia la región p.
Una vez en ésta, los electrones son inmediatamente
atraídos hacia las cargas positivas, de acuerdo a la
ley de
Coulomb, que dice que fuerzas opuestas se atraen. Cuando un
electrón se mueve lo suficientemente cerca de una carga
positiva en la región p, las dos cargas se
recombinan.
Cada vez que un electrón se recombina con una
carga eléctrica positiva, energía
eléctrica potencial es convertida en energía
electromagnética. Por cada una de estas recombinaciones un
quantum de energía electromagnética es emitido en
forma de fotón de luz con una frecuencia que depende del
material semiconductor. Los fotones son emitidos en un rango de
frecuencia muy estrecho que depende del material del chip; el
color de la luz
difiere según los materiales
semiconductores y requieren diferentes ddp para
encenderlos.
¿CUÁNTA ENERGÍA LIBERA UN
LED?
La energía
eléctrica es proporcional a la ddp que se necesita
para hacer que los electrones fluyan a través de la
juntura p-n. Son predominantemente de un solo color de luz. La
energía (E) de la luz emitida por un LED está
relacionada con la carga eléctrica (q) de un
electrón, y el voltaje (v) requerido para encenderlo se
obtiene mediante la expresión E= q x V . Esta
expresión dice simplemente que el voltaje es proporcional
al la energía eléctrica y es una regla general que
se aplica a cualquier circuito, como el LED. La constante q es la
carga eléctrica de un solo electrón: – 1,6 x 10 exp
–19 Coulomb.
ENCONTRANDO LA
ENERGÍA DESDE EL VOLTAJE
Supongamos que se ha medido el voltaje a través
de los terminales del LED, y Ud. desea averiguar la
energía necesaria para prender al LED. Supongamos que
tiene un LED rojo y que la ddp entre los terminales es de 1,71
volts; la energía requerida para prender el LED es E= q x
V ó
E= -1,6 x 10 exp –19. 1,71 Joule, dado que
Coulomb / Volt es un Joule. La multiplicación de estos
números nos dan E= 2,74 x 10 exp –19
Joule.
ENCONTRANDO LA
FRECUENCIA DESDE LA LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ
La frecuencia de la luz está relacionada con la
longitud de onda de luz de una manera muy simple. El
espectrómetro puede ser usado para examinar la luz de un
LED, y para estimar el pico de la longitud de onda emitido por el
LED. Pero preferimos tener la frecuencia de la intensidad pico de
la luz emitida por el LED. La longitud de la onda está
relacionada con la frecuencia de la luz por la
fórmula
F = c / , donde c el la velocidad de
la luz y es la longitud de onda de la luz leída desde el
espectrómetro (en unidades de nanómetros, es decir,
la millonésima parte de un milímetro).
Supongamos que observó un LED rojo con el
espectrómetro y vio que el LED emite un rango en colores con un
máximo de intensidad de acuerdo con la longitud de onda
leída en el espectrómetro de = 660 nm.
La frecuencia correspondiente a la emisión del
LED rojo es de 4,55 x 10 exp 14 Hertz. La unidad de un ciclo de
una onda en un segundo (ciclos por segundo) es un
Hertz.
INFORMACIÓN BÁSICA SOBRE
LEDs
La mayoría de las características de los LED s están
especificada para una corriente de 20 mA, si uno no está
seguro de
obtener 20 mA en la función de la conductividad del
calor en la
plaqueta más el calor del LED,
variaciones de calor y corriente, conviene diseñar todo
para 15 mA.
- Cómo lograr 15 mA a través del
LED:
Primero se necesita saber la caída de
tensión en el LED. Se puede asumir con suficiente
seguridad
1,7 V para rojo no muy brillante, 1,9 V para alto brillo, alta
eficiencia y
rojo de baja corriente, y 2V para naranja y amarillo; 2,1 V
para verde, 3,4 V para blanco brillante, verde brillante sin
amarillo y la mayoría de los azules, 4,6 V para azul
brillante de 430 nm. En general se diseña para 12 mA
para los tipos de 3,4 V y 10 mA para el azul de 430
nm.
Se puede diseñar una fuente que entregue mayor
corriente si se está seguro de una
excelente disipación de calor en el conjunto. En este
caso asigne 25 mA a los LED de cerca de 2V, 18 mA para los de
3,4 V y 15 mA para el azul de 430 nm.
En condiciones óptimas de disipación de
calor se puede hacer circular una corriente mayor pero la vida
útil del LED se reducirá al 50% del normal:
20.000 a 100.000 horas. En cuanto al voltaje debe estar algo
por arriba de lo asignado para los LED s. Use por lo menos 3 V
para los de bajo voltaje, 4,5 V para los de 3,4 V y 6 V para el
azul de 430 nm.
El próximo paso es restar el voltaje de los LED
s de la fuente; esto le da la caída de voltaje que se
logra mediante una resistencia.
Ej.: 3, 4 V del LED con una fuente de 6 V. haciendo la resta da
2,6 V de caída que debe ser producida por la resistencia.
El próximo paso consiste en dividir la
caída de voltaje por la corriente del LED,
obteniéndose así el valor de la
resistencia; al dividir V / A se obtiene un valor de
resistencia en ohms. Si se divide V / mA la resistencia se
obtiene en K ohms.
Otro paso a seguir es determinar la potencia de
la resistencia. Multiplique la caída de voltaje por la
corriente del LED para obtener la potencia de
la resistencia.
No ponga los LED s en paralelo entre sí; si
bien ésto funciona no es confiable porque los LED s se
vuelven más conductores a medida que aumenta su temperatura,
con lo que se vuelve inestable la distribución de la corriente. Cada LED
debe tener su propia resistencia.
RESUMIENDO: la
tensión de arranque de un LED depende del color que deban
emitir, teniendo en cuenta los materiales de
los que están hechos, que se eligen de acuerdo al
color
FOTODIODOS
Los fotodiodos se hacen trabajar con una tensión
inicial en sentido de bloqueo. Sin dicha tensión inicial
trabajan, el sentido de paso, como fotoelementos (son bipolos que
al ser iluminados engendran tensión). La corriente en la
oscuridad es reducida. Con resistencias
de trabajo de elevado valor ohmico pueden engendrarse variaciones
de tensión que alcanzan casi la plena tensión de
servicio.
Autor:
Gustavo Barro
Buenos
Aires