LED: Características y aplicaciones de los diodos emisores de luz

|Universidad Politécnica del Estado de Morelos
Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones
domingo, 5 de enero de 2020

domingo, 5 de enero de 2020 Avendaño, Fierro, Guzmán & Villanueva 2
Fierro

¿Qué es un led?
• El led es un Diodo Emisor de Luz.
• Es un componente electrónico cuya función
principal es convertir la energía eléctrica en una
fuente luminosa.

¿Como están compuestos los
leds?
• Se basa en la emisión de fotones (luz)
• Cuando los electrones portadores de la
electricidad atraviesan el diodo, dicho fenómeno
se conoce como electroluminiscencia.
• Cada material semiconductor tiene unas
determinadas características que y por tanto una
longitud de onda de la luz emitida.

• El material de un Led está compuesto
principalmente por una combinación
semiconductora.
• El GaP se utiliza en los Leds emisores de luz roja o
verde
• El GaAsP para los emisores de luz roja, anaranjada o
amarilla y
• El GaAlAs para los Leds de luz roja. Para los emisores
azules se han estado usando materiales como SiC,
GaN, ZnSe y ZnS.

Tabla 1. Longitudes de onda de algunos
compuestos de Galio
Material Longitud de
onda
Color
GaAs : Zn 9000 Å Infrarr
ojo
GaAsP.4 6600 Å Rojo
GaAsP.5 6100 Å Ambar
GaAsP.85 :
N
5900 Å Amarill
o
GaP : N 5600 Å Verde

Tipos de led
• LED de 1w
• LED de 3mm
• LED 5mm
• LED de 24v
• Súper LED
• Microled
• LED blanco
• LED bicolor
• LED tricolor
• LED multicolor
• LEDs de alta potencia
• Linternas LED
• Tipos de linternas led
• Cortinas LED
• Plafón LED
• Semáforos LED
• Ojos de buey LED

Led de 1w
• Estos led son económicos,
brillosos y ahorrativos.

Led de 3mm
• Los encontramos como ultra brillantes.
• Voltaje: 1.9-2.3V / 3.0-3.4V
• Corriente: 15-20mA
• Distintos colores

Led de 5mm
• Existen distintas presentaciones de los led de
5mm
• Megabrillante de color blanco.
• Superbrillo 5mm Blancos.

Led de 24v
• Existen distintos colores.
• La mayoría de estos leds los encontramos en tiras
o están en series.

Súper led
• Son ahorrativos del consumo de energía
eléctrica.
• Suele tener muchísima más intensidad.
• Voltaje de la operación: 10-13V DC.
• Se encuentran en conjunto en lámparas.

Microled
• Estos son los más utilizados en la mayoría de los
artefactos del hogar.
• Son lo que vemos en nuestros televisores,
también en las pantallas de nuestros
ordenadores, calculadoras, celulares, etc.
• Tienen ahorros energéticos
de hasta un 80%.

Led blanco
• Es uno de los mas utilizados.
• Los encontramos como leds
de: 3mm,5mm y 10mm.

Led bicolor
• Prende de 2 colores.
- Voltaje: 2,1 Vcc
- Potencia: 31,5 mW
- Corriente: 15 mA
- Diámetro: 5 mm

Led tricolor
• Prenden 3 colores
• Mas conocidos como RGB
• Voltaje de cada color:
-Rojo: 2V
-Verde: 3,2V
-Azul: 3,2V

Led multicolor
• Las encontramos en tiras
- Alimentación: 12 Vcc

Led de alta potencia
• Led 50w 4000 lumen de potencia.
• También pueden usarse en el campo de la
iluminación, para iluminar exteriores no
solamente de noche, sino también de día.
• Estos modelos resisten las luces ultravioletas y la
lluvia.

Linternas led
• Permiten que las baterías tengan una mayor
durabilidad, la vida útil de las pilas se extiende
veinte veces más.

Cortinas led
• Estamos haciendo referencia a pantallas o
paneles.

Plafón led
• Estas lámparas en su mayoría son para
iluminación de oficinas, tiendas, hogares, etc.
• Hay desde 1w hasta 28w.
• Usan un voltaje de 12v.

Semáforos led
• Normal mente como si nombre lo dice los
encontremos en semáforos.
• Consumo de 10 W de potencia por lámpara.

Guzmán

¿POR QUÉ EMITE LUZ UN LED?
• Un diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo que convierte energía
eléctrica en lumínica: al aplicarle un voltaje superior a cierto valor, los
electrones de conducción se excitan, pero, al intentar regresar al estado de
equilibrio, ceden esta energía en forma de fotones.
• Todos los diodos son unidireccionales: solo se produce luz cuando pasa
corriente continua en el sentido “correcto”, es decir, del ánodo (polo
positivo) al cátodo (polo negativo).

¿Qué determina el color de un diodo led?
Un diodo emisor de luz (LED) produce luz de una manera bastante
diferente a la que lo hace la familiar lámpara incandescente. En una
lámpara incandescente, al elevarse la temperatura del filamento de
tungsteno, sus átomos se excitan y transfieren su energía a fotones,
irradiando luz cuya longitud de onda se encuentra en un rango de
centenares de nanómetros.

• Los LEDs producen luz en una banda estrecha de radiación, usualmente
menor a las decenas de nanómetros, con un pico característico del material
luminiscente que lo compone. Los LEDs no requieren un aumento en la
temperatura; de hecho, su eficiencia casi siempre se incrementa cuando su
temperatura es disminuida. La electroluminiscencia de estos dispositivos es el
resultado directo de las propiedades semiconductoras del material del cual
están hechos.

• Ahora, la luz emitida por un diodo emisor de luz tiene una longitud de onda específica y por lo
tanto un color específico. Este último depende del material semiconductor del LED. Los
semiconductores LED se componen de combinaciones de elementos como los fosfuros o
arseniuros. Cuando los portadores de carga se combinan, los fotones son emitidos según
niveles discretos específicos de energía.

• Esto especifica el color de la luz particular. Por ejemplo, la luz azul se produce
si se libera un elevado nivel de energía, y la luz es roja si el nivel de energía
emitido es más bajo. Por consiguiente, se produce luz monocromática (de un
solo color). La siguiente es la característica especial del LED: Cada color de luz
LED se limita a una longitud de onda de alcance muy estrecho (término clave:
longitud de onda dominante) que respectivamente representa solo un color
de luz específico. El único espectro que no puede producirse directamente
desde el chip es el espectro de luz blanca, ya que la luz blanca representa una
mezcla de todos los colores de luz.

DISTRIBUCION RELATIVA ESPECTRAL
Existen dos métodos para la producción de luz LED blanca:
fotoluminiscencia y mezcla aditiva de colores.

FOTOLUMINISCENCIA
Los LED azules se vuelven blancos
• El procedimiento más común es el principio de fotoluminiscencia. Durante el mismo,
una fina capa de fósforo se aplica sobre un LED azul. La luz azul LED rica en energía
de onda corta estimula la capa de fósforo hasta que se enciende, y emite luz amarilla
de menor energía. Parte de la luz azul se transforma así en luz blanca. El tono de
color de la luz blanca puede variar en función de la medición del colorante de
fósforo. De este modo, se producen diferentes tonos blancos, como blanco cálido,
blanco neutro o blanco frío.

Luz blanca de mezcla aditiva de colores
• El segundo método para producir luz LED blanca se basa en el principio de
la mezcla aditiva de colores. En este caso, la luz blanca se produce
mezclando la luz roja, verde y azul (RGB) a diferentes longitudes de onda.
La ventaja de este método es la siguiente: El color de la luz puede
cambiarse mediante un control específico. Por ello, puede producirse
tanto luz blanca como luz coloreada si se desea. Este procedimiento se
utiliza, por ejemplo, en televisores LED, en los que los LED se usan para
producir una iluminación base y de imagen.

¿COMO DETERMINAR LA LONGITUD DE ONDA?
• La longitud de onda de una luz se determina mediante una red de difracción
(fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al
encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija.) y la ecuacion de Bragg.
• Las longitudes de onda de la luz emitida por los diodos rojo y azul se dan en la
Tab. 1. La longitud de onda del diodo verde se debe determinar
experimentalmente.

La longitud de onda emitida entonces se puede determinar utilizando
una red de difracción y una pantalla mediante medidas simples de
longitud. Para determinar la longitud de onda de la luz emitida por un
diodo utilizando una red de difracción, de distancia ‘d’ entre líneas,
midiendo el ángulo 𝜃 entre los máximos n-esimos obtenidos sobre una
pantalla situada a una distancia ‘l’, se utiliza la expresión:
𝑑𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑛λ
El ángulo 𝜃1 entre dos máximos consecutivos n=1, a derecha e izquierda
𝜃 = 0, se obtiene midiendo la distancia ‘z’ entre estos máximos sobre la
pantalla y considerando que:
𝜃 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔
𝑧
2𝑙

Una vez obtenida la longitud de onda de la luz, su frecuencia 𝑣 estará dada
por:
𝑣 =
𝑐
λ
Donde 𝑐 = 299792458 𝑚 𝑠−1es la velocidad de la luz

¿CUAL ES LA IMPORTANCIA DE CONOCER LAS DIFERENTES
LONGITUDES DE ONDA QUE PRODUCE CADA LED?
• Conocer las longitudes de onda LED permite a los diseñadores de
circuitos determinar que color de luz emitirá. La longitud de onda de una
LED depende del material semiconductor y no del color del envase o del
contenedor plástico de la luz LED individual. Algunas LED son capaces de
operar en varias longitudes de onda lo que significa que estos tipos de
LED pueden emitir dos o tres colores según la combinación activada. A
continuación se muestran los colores que emiten los leds y su estándar
en longitud de onda y frecuencia.

Avendaño

¿Qué son la emisión espontanea
y la emisión estimulada
• Primero, entender cómo se produce la emisión de luz a nivel de
los átomos y, por tanto, hay que saber lo que es un átomo.
• Un átomo se puede considerar como un núcleo alrededor del cual
se mueven unos electrones con unas energías bien determinadas.

• Los electrones no pueden poseer cualquier valor de la energía
sino solamente unos valores bien definidos que se identifican
como niveles, algo así como los peldaños de una escalera. Ahora
bien, un electrón puede pasar de un nivel de energía a otro
emitiendo o absorbiendo una unidad de luz (llamada fotón) con
una energía igual a la diferencia entre los dos niveles de la
transición.

• Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía
elevado, tiende a caer espontáneamente a un nivel de
energía inferior con la subsiguiente emisión de luz. Esto es
lo que se llama emisión espontánea y es la responsable de
la mayor parte de la luz que vemos.
• Un fotón puede estimular la caída de un electrón a un nivel
inferior si tiene una energía igual a la diferencia entre los
dos niveles, en ese caso se emitirá un segundo fotón
idéntico al que ha inducido la transición. Esta es la llamada
emisión estimulada.
• El proceso contrario, aquel en el que el fotón se absorbe
induciendo la subida de un electrón a un nivel de energía
superior, se llama absorción estimulada.

Fenómeno de emisión espontánea
• Mecanismo de descomposición de energía para reducir la energía
de los estados excitados por la emisión de luz. (Elsa Garmire,2002).
Fiber Optics Handbook Fiber, Devices And Systems For Optical Communication

• La emisión estimulada produce dos fotones idénticos a partir de
un fotón inicial
– Es precisamente lo que permite amplificar la luz y es también
responsable de que la luz generada por emisión estimulada
sea coherente, es decir que las ondas electro-magnéticas que
forman el haz de luz marchen “al paso”.
La luz láser se amplifica por emisión estimulada: por cada fotón incidente se producen dos fotones idénticos.

Eficiencia cuántica interna
• La eficiencia cuántica interna de un LED se define como la
fracción de pares electrón-hueco que se re combinan emitiendo
radiación óptica. Ésta se calcula mediante la expresión:
donde Rr y Rnr son respectivamente las razones de recombinación
radiativas y no-radiativas. Esto puede expresarse en función del
tiempo total de recombinación y el tiempo de recombinación
radiativa de la forma:

Eficiencia cuántica interna
• donde el tiempo total de recombinación es:
• La potencia interna generada en el LED en función
de la corriente inyectada al dispositivo (I) está dada
por:
• donde q es la carga del electrón y λ es la longitud
de emisión pico.

Eficiencia cuántica externa
• Los fotodiodos de InP/InGaAs han alcanzado buenas
características como detectores:
uniformidad de respuesta, amplio intervalo de linealidad,
respuesta rápida, etc. Por estos motivos son ampliamente usados
como elementos de conversión opto-electrónica en multitud de
aplicaciones y entre ellas, la de medir radiación óptica.
• La medida de radiación óptica con un fotodiodo se puede
hacer de forma absoluta, es decir, sin necesidad de usar
patrones de referencia, si se conoce la relación entre la
respuesta eléctrica del dispositivo y la potencia óptica
incidente. Esta relación se denomina eficiencia cuántica
externa y se define como el cociente entre el número de
portadores de carga que se recogen en un circuito eléctrico
externo al fotodiodo y el número de fotones incidentes en el
mismo.

Eficiencia cuántica externa
• La eficiencia cuántica externa depende de la
reflectancia del dispositivo así como de la
eficiencia de conversión en corriente de los
fotones absorbidos. En consecuencia, se trata de
obtener una ecuación (modelo) que recogiendo
estas variables nos de la relación entre la
potencia óptica incidente y la corriente de
cortocircuito generada, que es la respuesta que
habitualmente se mide en un fotodiodo en
aplicaciones de detección óptica.

• La eficiencia externa se calcula considerando que no todos los
fotones generados saldrán del dispositivo. Para esto se consideran
los efectos de reflexión en la superficie del LED (interfase). Esto
se simplifica considerando únicamente los fotones con ángulo de
incidencia normal a la interfase con lo que se utiliza el valor del
coeficiente de transmisividad de Fresnel. Considerando que el
medio externo es aire (n=1), la eficiencia externa está dada por:
donde nes el índice de refracción del material semiconductor.

• De la ecuación anterior obtenemos que, la potencia de emisión
del LED puede obtenerse mediante:
• La sensibilidad o responsividad (responsivity) de un LED es la
razón de poder emitido (P) a corriente inyectada (I).
Generalmente se expresa en unidades de W/A, y cuando la
longitud de onda se expresa en micrómetros puede calcularse
como:

• La potencia de salida es proporcional a la corriente
inyectada en un intervalo limitado por la saturación del
dispositivo. El ancho espectral de la emisión (en μm)
puede calcularse como:
• donde kBT está dado en eV y la longitud de onda en μm
(1.24eV=1.99x10-19J).

Villanueva

DATASHEET
334-15__T1C1-4WYA.pdf

¿Que son los Fotones?
¿ENTONCES QUE ES LA LUZ?
Es la forma de energía que ilumina las cosas, las hace visibles y
se propaga mediante partículas llamadas fotones
• El fotón fue llamado originalmente por Albert Einstein "cuanto de luz”.
• El nombre moderno “fotón” proviene de la palabra griega que significa luz.

• Un diodo emisor de luz (LED) es un diodo de unión
PN de semiconductores que emite fotones cuando se
polariza directamente

• La luz blanca en especial se separa en diferentes tonalidades
o en sus diferentes colores que la componen
El tamaño de la banda determina la frecuencia del fotón en
otras palabras determina el color de la luz

El color la frecuencia su periodo etc. lo podemos
determinas con las siguientes ecuaciones:

• ¿Qué son las longitudes de onda o ancho de
onda LED?
• Desde las linternas hasta los monitores diseñados para estadios y arenas alrededor
del mundo, los diodos emisores de luz, o LED, se han convertido en un
componente eléctrico importante. Diseñar equipo fascinante como las cámaras de
vigilancia, los monitores, los semáforos y los monitores con carteles LED requiere
conocimientos de electrónica así como también longitudes de onda que usan
varios LED.
• Conocer las longitudes de onda LED permite a los diseñadores de circuitos
determinar que color de luz emitirá. La longitud de onda de una LED depende del
material semiconductor y no del color del envase o del contenedor plástico de la
luz LED individual. Algunas LED son capaces de operar en varias longitudes de
onda lo que significa que estos tipos de LED pueden emitir dos o tres colores
según la combinación activada.
• En otras palabras la longitud de onda determina el color

LED blanca
Las LED blancas vienen en blanco incandescente, blanco pálido y blando frío. Estas LED blancas tienen
una longitud de onda que va desde 4.500 K hasta casi 12.000 K. Estas LED usan componente de
carburo de silicona o nitruro de galio, con una intensidad entre 2.000 mcd y 6.000 mcd a 20 mA y a
un ángulo visual de 20 grados. El material de tinte LED consiste en carburo de silicona o nitruro de
galio.
LED azul
Las LED azules tienen una longitud de onda que va de 430 a 505 nm, una intensidad de 100 a
2.000 mcd y un ángulo visual de 45 grados para el azul verdoso y 15 grados para el resto. El
material de tinte sería carburo de silicona o nitruro de galio.
LED verde
Las LED verdes tienen una longitud de onda que va de 525 a 570 nm, una intensidad de 80 a
1.000 mcd y fosfito de aluminio galio indio como tinte.
LED amarilla
Las LED amarillas varían del amarillo super lima de 585 nm a un tono naranja super amarillo de
595 nm. Estas LED tienen una intensidad de 100 a 7.000 mcd y harían uso de fosfito de
aluminio indio galio como tinte.
LED naranja
Las LED naranjas tienen longitudes de onda que varían de un naranja estándar de 605 nm a sólo
625 nm para super naranja. La intensidad va de 160 a 6.500 mcd. El material de tinte usado
para estos naranjas sería fosfito de aluminio galio indio.
LED roja
Las LED rojas tienen longitudes de onda que varían de 633 a 660 nm. Tienen voltajes de 1,8 a 2,2,
una intensidad de 200 a 3.500 mcd a 20 mA, un ángulo de visión de 15 grados y un material
de tinte hecho de fosfito galio arsénico o arsenito de galio aluminio.

Existen diferentes tipos de ondas
Las ondas con frecuencias entre 450 y 700 nanómetros hacen vibrar la retina del
hombre y a este efecto es el que conocemos como espectro visible o luz visible. Estas
ondas viajan a nuestro alrededor y chocan contra los objetos razón por la cual nuestro
ojo y después nuestro cerebro pueden percibirlos.
A los 2 extremos del espectro visible se encuentran las ondas infrarrojas y
ultravioletas, si bien es cierto que estas no son del todo visibles al ojo humano.

Bibliografía
• LIBROS
– JOHN M. SENIOR, Optical Fiber Communications. Principles and Practice, 3rd_Edition_,
UK 2009, Editorial Prentice Hall Europe.
– OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, Fiber Optics Handbook Fiber, Devices And Systems For
Optical Communication, Mc Graw Hill, 2010.
• SITIOS WEB
– http://www.ehowenespanol.com/son-longitudes-onda-led-info_236971/
– http://astrojem.com/teorias/fotones.html
– https://www.youtube.com/watch?v=ixwxOQf50kc
– http://www.itlalaguna.edu.mx/academico/carreras/electronica/opteca/OPTOPDF2_arch
ivos/UNIDAD2TEMA7.PDF
– http://www.clpu.es/divulgacion/bits/que-son-la-emision-espontanea-la-emision-
estimulada-y-la-inversion-de-poblacion
– http://www.iluminacionled.ws/tipos/
– http://www.iim.unam.mx/jhcordero/Cursos/Facultad_Ingenieria/Notas/LD-LEDs-
parameters.pdf
– http://www1.futureelectronics.com/doc/EVERLIGHT%C2%A0/334-15__T1C1-4WYA.pdf

Conclusión
• Hoy en día gracias a la tecnología LED, se consigue sin lugar a
dudas una mejor calidad de luz, una reducción en el tamaño de
los aparatos con pantallas, una durabilidad de vida mayor, ahorro
en el consumo energético una reproducción y una mayor
eficiencia, en consecuencia un mejor confort visual para cada
ambiente.

Gracias
☺

LED: Características y aplicaciones de los diodos emisores de luz

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a LED: Características y aplicaciones de los diodos emisores de luz

Similar a LED: Características y aplicaciones de los diodos emisores de luz (20)

Más de Eric Avendaño

Más de Eric Avendaño (8)

Último

Último (20)

LED: Características y aplicaciones de los diodos emisores de luz