Diodo Led: ¿Qué es? Tipos ¿Cómo funciona? y mas

El Diodo LED (o Diodo Emisor de Luz) es un elemento eléctrico que irradia y proyecta luz cuando es ensamblado o conectado a una corriente con electricidad. Trabaja según el conocido principio de electro-luminiscencia y puede proyectar luz en una visualización clara, así como en infrarrojo y/o ultravioleta.

Tienen un consumo de energía particularmente más bajo que lo que suele ser habitual, además de un tamaño bastante pequeño, una vida útil más longeva y una conmutación más rápida que las lámparas de incandescencia y por eso, tienen una amplia gama de aplicaciones y de uso en la vida cotidiana.

El diodo LED es actualmente la tecnología de luminiscencia más eficaz en energía favorable para su uso en fines productivos y provechosos y es natural que también sea una de los procesos de desarrollo más rápido y sostenibles en el transcurso del tiempo.

El diodo LED hace referencia a una forma de iluminación donde un semiconductor convierte la electricidad en luz (sin generar calor) habitualmente en un área pequeña de aproximadamente 1 milímetro cuadrado o menos (el diodo). Entonces, en una lámpara LED, en realidad hay múltiples diodos emisores de luz.

La luz generada se proyecta en una dirección, lo que elimina la necesidad de utilizar difusores y faroles.

En el año 1907, un científico británico en los laboratorios de Marconi, Henry Joseph Round, notó por primera vez que cuando se utiliza una Potencia Eléctrica  de 10 voltios en un cristal de carborundo (carburo de silicio), este emite una luz ambarina. Sin embargo, el primero en investigarlo y proponer una teoría de investigación, fue el ruso Oleg Vladimirovich Losev.

En 1927, Oleg Vladimirovich Losev publicó un artículo titulado «Revelador de carborundo luminoso y efecto de detección y oscilaciones con cristales». Durante décadas no se hicieron progresos por diferentes razones. Rubin Braunstein, que trabajó en Radio Corporation of America, informó en el año 1955 que algunos diodos simples emiten luz infrarroja cuando se conectan a algún tipo de corriente.

En 1961, los estadounidenses Gary Pittman y Bob Biardan, de Texas Instruments descubrieron que ese diodo led del arseniuro de galio emite luz infrarroja cada vez que se conecta a la corriente. El mismo año recibieron la patente para LED infrarrojo. Nick Holonyak Jr, empleado en General Electric, desarrolló en el año 1962 el primer diodo emisor de luz que emitía luz en la parte visible del rango de frecuencia. Este era un LED rojo.

En 1972, M. George Craford, estudiante de posgrado de Holonyak, creo el primer LED amarillo además de un LED escarlata mucho más brillante. Thomas P. Pearsall elaboró un diodo emisor de luz de alto brillo en 1976, para usar con fibra óptica en el campo de telecomunicaciones. Shuji Nakamura de Nichia Corporation fabricó el primer LED azul en 1979, pero era demasiado caro para uso comercial hasta 1994.

Un diodo Led ahora se puede elaborar en uno o más colores. Al principio, los diodos Led eran bastante costosos, alcanzaban incluso precios de 250$ US por pieza. Debido a esto, se utilizaron como indicadores solo en equipos de laboratorio altamente profesionales.

Fairchild Semiconductors logró en el año 1970 disminuir el costo de los LED individuales a 5 centavos de dólar americano mediante el uso de un proceso plano en la producción de chips semiconductores para diodos Led. Mediante el uso de métodos innovadores de envasado y un proceso plano de producción de chips, Fairchild convirtió el LED en un producto comercial con una inmensa variedad de usos.

El LED con luz perceptible se utiliza como reemplazo de las luces resplandecientes y de neón, como elementos en pantallas de varios fragmentos, en reflectores de gran tamaño, en semáforos y otras señales visuales, así como en computadoras, relojes y faroles. Los LED infrarrojos se usan en unidades para control remoto en televisores, DVD y otros lugares que necesitan control inalámbrico.

Los beneficios de los diodos Led son infinitos, pero también tienen sus desperfectos. Los beneficios son que irradian más luz por vatio que las bombillas resplandecientes, son mucho más pequeñas, su tiempo de uso es mucho más corto que el de los otros tipos de fuentes de luz eléctrica (son rápidas), su vida de útil es mucho más larga y son mucho más sostenibles a largo plazo.

Además, son difíciles de dañar. Sus defectos son el alto precio por lumen, la alta dependencia de la temperatura exterior y el sobrecalentamiento fácil si la temperatura exterior es demasiado alta y no hay disipador de calor. A pesar de sus defectos, los diodos LED están encontrando su lugar en el uso humano y están aquí para quedarse.

Tipos de Led

Desde la introducción al mercado de los novedosos diodo LED, la tecnología y la ciencia ha generado una gran variedad de diversos tipos de LED, cada uno con sus propios caracteres particulares y usos.

LED inorgánicos tradicionales

Este tipo de LED es la presentación tradicional de diodo que ha estado en el mercado desde la década de los setenta. Cómo su nombre lo indica están fabricados con materiales inorgánicos. Algunos de los más utilizados son los compuestos encargados de la conducción como el arsenio, aluminio, galio, el fosfuro, entre otros. El color de la luz habitualmente depende de la materia utilizada.

Estos LED se identifican por las pequeñas bombillas LED que se utilizan como indicadores de panel, aunque existen muchos formatos de este tipo. Sin embargo, dentro de la categoría de LED inorgánico, hay muchos estilos diferentes de LED que se pueden ver y usar.

LED de alto brillo

Estos son un tipo de LED inorgánico que se están comenzando a utilizar para aplicaciones de iluminación. Este tipo de LED es esencialmente el mismo que el LED inorgánico básico, pero tiene una salida de luz mucho mayor. Para generar la mayor salida de luz, este tipo de LED requiere poder manejar niveles de corriente y disipación de energía mucho mayores.

A menudo, estos LED se ensamblan de tal manera que se pueden montar en un despejador térmico para eliminar el calor en exceso. En vista de su mayor eficiencia, este tipo de LED se está utilizando como reemplazo de diversas opciones más antiguas de iluminación. La iluminación del hogar junto con las bombillas de los autos.

Tienen ventajas en términos de eficiencia y factores ambientales sobre las bombillas fluorescentes e incandescentes. Este tipo de LED tienen un mayor nivel de optimización y también tienen una vida útil más larga, especialmente cuando se activan frecuentemente.

LED orgánicos

Los LED orgánicos son un desarrollo de la idea básica del diodo emisor de luz. Este tipo de LED utiliza materia orgánica como su nombre lo indica. El tipo orgánico de pantalla LED es basada en materiales orgánicos que se fabrican en láminas y proporcionan un área difusa de luz.

Típicamente, se imprime una película muy delgada de material orgánico sobre un sustrato hecho de vidrio. Luego se usa un circuito semiconductor para transportar las cargas eléctricas a los píxeles impresos, lo que hace que brillen.

¿Cómo es su funcionamiento?

Un diodo es el tipo más simple de dispositivo conductor. En términos generales, un semiconductor es un objeto con una posibilidad muy versátil para mover y encaminar electricidad a una especie de circuito eléctrico acabado. La mayor parte de estos, están formados por un conductor al que se le han incorporado impurezas (partículas de otro material). El proceso de adicionar impurezas se conoce como dopaje.

En el caso del diodo Led, quien funge el papel de conductor es habitualmente el aluminio-galio-arseniuro (AlGaAs). En el arseniuro de aluminio y galio puro, todas las partículas se ensamblan de una manera muy afinada con sus contiguos, sin dar cabida a que queden electrones libres (átomos con una carga negativa) para conducir la corriente eléctrica.

En el componente dopado, partículas agregadas transforman el equilibrio ya sea añadiendo partículas libres o introduciendo orificios donde los elementos consiguen ir posicionados. Cualquiera de estas variaciones hace que el que este objeto sea más conductor. Un conductor con electrones agregados se llama materia de tipo N, ya que tiene partículas con cargas negativas agregadas.

En los compuestos de tipo N, los elementos libres se remueven de un área con cargas polarizadas negativamente a un área con cargas polarizadas positivamente. Un conductor con agujeros adicionales se llama compuestos de tipo P, ya que efectivamente tiene partículas con cargas positivas agregadas.

Los electrones pueden lanzarse de un orificio a otro, moviéndose de un área con carga negativa a un área con carga positiva. Cómo resultado, los orificios mismos parecen moverse de un área cargada con partículas positivas a un área cargada de la manera contraria.

Un diodo consiste en una sección de material de tipo N unido a una sección de material de tipo P, con electrodos en cada extremo. Esta disposición conduce la electricidad en una sola dirección. Cuando no se aplica voltaje al diodo, los electrones del material de tipo N llenan los agujeros del material de tipo P a lo largo de la unión entre las capas, formando una zona de agotamiento.

En una zona de agotamiento, el material semiconductor vuelve a su estado de aislamiento original: todos los orificios están llenos, por lo que no hay partículas libres ni espacios vacíos para dichas partículas y la electricidad no puede filtrarse. Para deshacerse de la zona de agotamiento, las partículas se deben agitar desde la superficie de tipo N a la superficie de tipo P y que los orificios se sacudan en la dirección inversa.

Cuando la diferencia de voltaje entre los electrodos es lo suficientemente alta, los electrones en la zona de agotamiento salen de sus agujeros y comienzan a moverse de forma libre nuevamente. La zona de agotamiento desaparece y la carga se mueve a través del diodo. Si intenta ejecutar la corriente de la otra manera, con el lado de tipo P conectado al extremo negativo del circuito y el lado de tipo N conectado al extremo positivo, la corriente no fluirá.

Los electrones negativos en el compuesto de tipo N son atraídos por la barra con carga positiva. Los orificios positivos en el compuesto tipo P son atraídos hacia la barra con carga negativa. No fluye corriente a través de la unión porque los orificios y las partículas se mueven en la dirección incorrecta. La zona de agotamiento aumenta.

Cuando el diodo está condensado y elevado, las partículas de la faja de conducción de los conductores se mezclan lo más posible con los orificios de la faja que va liberando apta energía para originar partículas de luz, que exponen una luz monocromática (color único).

Debido a esta fina y menuda capa, una cantidad prudente de estas partículas de luz puede salir de la coalición y dispersarse provocando una salida de luz con color. Entonces podemos decir que cuando se opera en una dirección centrada hacia adelante, los diodos LED son dispositivos que conducen y que convierten la energía eléctrica en energía lumínica.

La reconstrucción de un diodo Led es muy distinta a la de un diodo de señal estándar. La unión PN de un LED está envuelta por una armazón o colectividad de forma semicircular de laca cristalina de plástico rígido que protege al LED de oscilaciones y golpes.

Sorprendentemente, una unión Led en realidad no irradia tanta luz, por lo que el cuerpo de laca está construido de tal manera que los fotones de luz emitidos por la coalición, se reflejan lejos de la base del sustrato contiguo a la que está unido el diodo y se enfocan hacia arriba a través de la parte superior curvada del LED, que actúa como una lente centralizando la cantidad de luz.

Es por eso que la luz irradiada parece ser más resplandeciente en la parte superior del LED. Sin embargo, no todos los LED están hechos con un domo de forma esférico para su carcasa. Algunos LED tienen una construcción de forma rectangular o tubular que tiene una superficie plana en la parte superior o su cuerpo tiene forma de barra o flecha, ademas de presentar diversos Tipos de cables.

En general, todos los LED se producen con dos cabos que destacan de la parte inferior del cuerpo. Además, casi todos los diodos emisores de luz modernos tienen su cátodo, terminal (que es negativo) identificado por una incisión o un punto plano en el cuerpo o porque el cable del cátodo es más corto que el otro ya que el cable del ánodo (el cual es positivo) es más largo que el cátodo (k).

A diferencia de las linternas y reflectores resplandecientes estándar que generan grandes cantidades de calor cuando se alumbran, el diodo Led produce una fuente de luz «fría» que conduce a altas eficiencias que la «bombilla» corriente porque la mayor parte de la energía generada se irradia dentro de lo perceptible del espectro.

Debido a que los LED son conectores de estado consistente, pueden ser considerablemente pequeños y duraderos, así como suministrar una vida útil de la bombilla mucho más larga que las fuentes de luz corrientes.

 Tecnología LED/OLED

A diferencia de los diodos corrientes que están hechos para detección de potencia y que están construidos de compuestos conductores de germanio o silicio, los diodos LED están hechos de compuestos conductores extravagantes.

Se combinan en desiguales proporciones para originar una amplitud de onda de tono desigual. Otros compuestos LED emiten luz en regiones definidas del espectro de luz perceptible y por lo tanto, producen diversos niveles de intensidad. La elección exacta del componente utilizado establecerá la amplitud de onda general de las exposiciones de luz y por lo tanto, el color resultante de la luz que se termina exponiendo.

Por esta misma razón, el color de la luz expuesta por un diodo LED no está determinado por la coloración del cuerpo de plástico del LED, aunque estos están levemente teñidos para optimizar la salida de luz y revelar su color cuando no está iluminado por un suministro eléctrico.

Los diodos Led están puestos en una extensa escala de colores, siendo los más frecuentes escarlata, ámbar, amarillo y verde y por lo tanto, se usan considerablemente como guías visuales y como pantallas de luces en corriente.

Los LED de color azul y blanco recientemente desarrollado también están a disponibilidad, pero estos tienden a ser mucho más costosos que los colores comunes debido a los costos de producción de mezclar dos o más colores adicionales en una proporción exacta dentro del compuesto y también mediante la inyección de átomos de nitrógeno.

El inconveniente que se presenta con el uso único de GaAs como compuesto semiconductor es que esparce grandes cuantías de radiación invisible de bajo fulgor (800nm-900nm). Desde su unión cuando una corriente continua se filtra a través de él. La cantidad de luz infrarroja que produce es adecuada para los controles de televisión, pero no es tan útil en el uso del diodo LED como luz indicadora.

Pero al añadir Fósforo, como otro dopante, la amplitud de onda general de la radiación emitida se reduce a menos de 600 nm, lo que da luz roja que es visible al ojo humano. Otras distinciones en el proceso de dopaje de la unión PN han dado como efecto una gama de colores que abarca el espectro de luz perceptible, así como las amplitudes de onda infrarroja y ultravioleta.

Al combinar una diversidad de compuestos químicos que favorezcan la conducción, se puede producir la siguiente variación de colorimetria en el diodo LED:

• Arseniuro de galio (GaAs) – irradiación de tipo infrarrojo.
• Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) – rojo a infrarrojo, naranja.
• Fosfuro de arseniuro de aluminio y galio (AlGaAsP): rojo, naranja y amarillo de gran intensidad.
• Fosfuro de galio (GaP) – rojo, amarillo y verde.
• Fosfuro de aluminio y galio (AlGaP) – verde.
• Nitruro de galio (GaN) – verde esmeralda.
• Nitruro de galio e indio (GaInN): ultravioleta, verde azulado y azul.
• Carburo de Silicio (SiC) – azul.
• Nitruro de aluminio y galio (AlGaN) – ultravioleta.

Sin embargo, apartado el diodo Led, existen otros tantos diodos; como el Diodo Zener, o el diodo OLED. En el caso del diodo OLED, es simplemente un LED donde la luz es irradiada por elementos orgánicos. Estos son simplemente los que se basan en líneas o anillos de átomos de carbono, incluidos elementos cotidianos como el azúcar, la gasolina, el alcohol, la madera y los plásticos.

Los conductores de origen orgánico fueron descubiertos a mediados de la década de los setenta por Alan H., Alan M. y Hideki S, quienes compartieron varios galardones por este trabajo. El primer OLED que funciono, fue elaborado con materiales orgánicos y fue desarrollado por Ching Tang.

Luego se trabajó en los laboratorios de investigación de Eastman Kodak, en 1987. Esta investigación novedosa, basada en otras anteriores sobre electroluminiscencia, fue reportada por primera vez en moléculas orgánicas por un físico francés llamado André Bernanose en la década de los cincuenta.

En 1970, Digby Williams y Martin Schadt habían logrado crear lo que llamaron «un simple diodo electroluminiscente orgánico» utilizando antraceno, pero no fue hasta el trabajo de Tang y VanSlyke, en la década de los ochenta, que la tecnología OLED se volvió realmente práctica.

Los diodos OLED son dispositivos de estado sólido que consisten en una serie de membranas delgadas orgánicas entreveradas entre dos electrodos conductores de membrana delgada.

Cuando se emplea electricidad a un OLED, bajo el dominio de un campo eléctrico, los transportadores de carga migran de los electrodos a las membranas delgadas hasta que se recombinan en la zona emisora ​​formando excitones.

Una vez formados, estos excitones, se disminuyen a un nivel de energía más bajo al emitir luz o calor no deseado. La estructura básica de la celda OLED consiste en una pila de delgadas capas unidas intercaladas entre un compuesto positivo conductor y un compuesto negativo conductor.

Para generar luz roja, verde y azul para representar imágenes a todo color, hoy por hoy se utilizan dos encares importantes. El primero es trazar subpíxeles de los colores primarios en cada píxel de la pantalla. Este es generalmente la orientación favorita para pantallas móviles de alta resolución.

Los OLED trabajan de manera similar a los diodos y LED,  pero en lugar de usar capas de conductores tipo n y tipo p, usan moléculas orgánicas para producir sus electrones y brechas. Un OLED simple está compuesto por seis capas. En la parte superior e inferior hay capas de cristal preservador o plástico. La capa superior se llama sello y la capa inferior el sustrato.

Entre las capas, hay un terminal negativo (cátodo) y un terminal positivo (ánodo). Finalmente, entre el ánodo y el cátodo hay dos capas creadas de moléculas orgánicas llamadas la capa emisora donde se origina la luz, que está al lado del cátodo y la capa conductora al lado del ánodo.

Usos

Los principales usos de los LED (diodos emisores de luz) son para iluminar objetos e incluso lugares. Su aplicación está en todas partes debido a su tamaño compacto, bajo consumo de energía, vida útil prolongada y flexibilidad en términos de uso en diversas aplicaciones.

Las aplicaciones y usos de los LED se pueden ver en:

• Retroiluminación de TV.
• Retroiluminación de teléfonos inteligentes.
• Pantallas LED.
• Iluminación automotriz.
• Atenuación de luces.

Los usos y funciones de los LED dependen del lugar donde se usa, a continuación se mencionan algunos ejemplos:

Retroiluminación de TV

La luz de fondo de un televisor es la principal fuente de consumo de energía. Los usos de los LED pueden proporcionar una reducción de potencia eficiente. En los bordes de una TV, usar un diodo LED es una opción de reducción de costos. El uso de LED directamente detrás de la pantalla proporciona un mejor contraste. Los LED han estado reemplazando a la tecnología LCD cuando se trata de retroiluminación de Television Full HD.

Retroiluminación de teléfonos inteligentes

Con el uso de LED, el diseño de la luz de fondo del teléfono inteligente puede ser más delgado y disminuir su costo. El precio del LED puede variar según el tamaño de la pantalla del teléfono inteligente. Debido al menor voltaje de salida, aseguran una mayor duración de la batería.

Usos en pantallas LED

Los paneles de visualización de LED son comunes en estos días y se usan en exteriores como carteles de almacenamiento, carteles publicitarios, señales de tráfico, pantallas de aeropuertos, entre otras. En los paneles de señalización que tienen señales de transmisión en varios idiomas, el uso de más LED será beneficioso en términos de menor consumo de energía.

Iluminación automotriz

El uso de LED en la industria automotriz está creciendo. Con los LED, se ahorra energía y hay una visibilidad más clara. Estos se usan ampliamente en la parte trasera y delantera de un automóvil para una mejor accesibilidad. La iluminación LED puede mejorar la seguridad de los peatones y el conductor, ya que mejora la visibilidad cuando está encendido en cualquier parte del viaje.

Atenuación de luces

Pocas aplicaciones LED incluyen atenuación de luces que ayuda a reducir el consumo de energía. Esta función de atenuación también se usa en dispositivos donde es de dos tipos. Atenuación global donde todos los LED se atenúan juntos, o Atenuación local donde los LED se atenúan de forma independiente. 

Conexión del diodo LED

Los principales usos de los LED (diodos emisores de luz) son para iluminar objetos e incluso lugares. Su aplicación está en todas partes debido a su tamaño compacto, bajo consumo de electricidad, vida útil prolongada y resistente en términos de uso en diversas atenciones. Las aplicaciones y usos de los LED se pueden ver en:

Los diodos son componentes polarizados, lo que significa que tienen una orientación muy específica que necesitan estar conectados en un circuito para funcionar correctamente. En un diodo físico, notará dos terminales que se extienden desde una lata en el medio.

Un lado es el terminal positivo, llamado ánodo. El otro terminal es el extremo negativo, llamado cátodo. Volviendo a nuestro flujo de electricidad, la corriente solo puede moverse en un diodo desde la parte positiva a la parte negativa, nunca de manera recíproca.

Los LED más comunes demandan un voltaje de maniobra inmediata de unos 1.5 a 3.8 voltios con una corriente inmediata de 12 a 35 mA, siendo el rango más frecuente de 15 a 21 mA. Tanto el voltaje de maniobra como la corriente se alteran según el material conductor utilizado, pero el punto donde inicia la conducción y se produce la luz es de 1.5V para un LED rojo, o 3.8V para un LED azul.

El desplome de voltaje exacto dependerá, del creador debido a los otros materiales dopantes y las amplitudes de onda utilizadas. La caída de voltaje a través del LED a un valor de corriente específico, por ejemplo 22 mA, también dependerá del punto de VF de conducción inicial.

Cómo un LED es un diodo, sus círculos de corriente continua a voltaje se consiguen perfilar para cada color de diodo. Antes de que un diodo emisor de luz pueda «irradiar» cualquier forma de luz, se necesita una corriente para filtrarse a través de él, ya que es un mecanismo dependiente de la corriente con una intensidad de salida de luz que es directamente proporcional a la corriente que fluye a través del diodo LED.

Cómo el diodo LED debe acoplarse en una circunstancia de polarización inmediata a través de una fuente de suministro, debe limitarse la corriente utilizando una resistencia en serie para resguardarlo del flujo de corriente en exceso. En la mayor parte de los casos, los LED funcionan con una provisión de corriente constante de bajo voltaje, con una resistencia en serie, para limitar la corriente directa a una cuantía segura.

Ventajas de uso del Diodo Led

• Muy bajo voltaje y corriente son suficientes para conducir el diodo LED. Rango de voltaje: 1 a 2 voltios. Corriente – 5 a 20 amperios.
• La potencia eléctrica de salida total será inferior a 150 milivatios.
• El tiempo de respuesta es bastante inferior, solo unos 7 nanosegundos.
• El dispositivo no necesita ningún tiempo de calentamiento. 
• Tamaño miniatura y por lo tanto, ligero.
• Tiene una construcción resistente y por lo tanto, puede soportar golpes y vibraciones.
• Un LED tiene una vida útil de más de 20 años.

Desventajas de uso del Diodo Led

• Un ligero exceso de voltaje o corriente puede dañar el dispositivo.
• Se sabe que el dispositivo tiene un ancho de banda mucho más amplio en comparación con el láser.
• La temperatura depende de la potencia de salida radiante y la longitud de onda. 

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