Diodos emisores de luz: una introducción
Los semiconductores llamados diodos emisores de luz (LED) transforman la energía eléctrica en energía luminosa. El material semiconductor y la composición determinan el color de la luz de salida, y los LED a menudo se clasifican en tres longitudes de onda: ultravioleta, visible e infrarroja.
Los LED disponibles comercialmente con una potencia de salida de un solo elemento de al menos 5 mW tienen un rango de longitud de onda de 275 a 950 nm. Independientemente del fabricante, se utiliza una familia de materiales semiconductores particular para cada rango de longitud de onda. En este artículo se proporciona una descripción general del funcionamiento de los LED y un vistazo rápido al sector. También habrá una discusión sobre los diferentes tipos de LED, las longitudes de onda apropiadas, los materiales utilizados en su construcción y algunos usos de las luces en particular.
LED UV (LED ultravioleta): 240 a 360 nm
Particularmente para la desinfección del agua, aplicaciones médicas/biomédicas y curado industrial, se emplean LED UV. En longitudes de onda tan cortas como 280 nm, se han logrado niveles de salida de potencia superiores a 100 mW. El nitruro de galio/nitruro de aluminio y galio (GaN/AlGaN) con longitudes de onda de 360 nm o más es el material que se utiliza con mayor frecuencia para los LED UV. Las longitudes de onda más cortas hacen uso de materiales exclusivos. Solo unos pocos proveedores producen longitudes de onda más cortas, y los costos de estos LED siguen siendo bastante altos en comparación con el resto de las ofertas de productos LED, incluso si el mercado de longitudes de onda de 360 nm y más se está estabilizando debido a la reducción de precios y una gran suministrar.
Los LED verdes van desde el UV cercano hasta 530 nm
El nitruro de indio y galio (InGaN) es el material utilizado para los productos en este rango de longitud de onda. Si bien es técnicamente factible producir un LED con una longitud de onda de cualquier valor entre 395 y 530 nm, la mayoría de los principales proveedores se enfocan en generar LED azules (450 a 475 nm) para iluminación blanca basada en fósforo y LED verdes en el rango de 520– Alcance de 530 nm para iluminación verde de señales de tráfico. La mayoría de la gente considera que la tecnología detrás de estos LED es avanzada. En los últimos años, las mejoras en la eficiencia óptica se han ralentizado o cesado.
LED que van de amarillo-verde a rojo: 565 a 645 nm
La sustancia semiconductora utilizada para este rango de longitud de onda es fosfuro de aluminio, indio y galio (AlInGaP). Se produce principalmente en longitudes de onda de señales de tráfico amarillas (590 nm) y rojas (625 nm). Aunque son menos comunes, los de color verde lima (o verde amarillento de 565 nm) y naranja (605 nm) también se ofrecen en esta tecnología.
Cabe destacar que el emisor verde puro (555 nm) no es una característica de las tecnologías InGaN o AlInGaP. Existen tecnologías más antiguas y menos efectivas en esta área de puro verde, pero no se cree que sean eficientes o brillantes. Esto se debe principalmente a la falta de financiación para el desarrollo de tecnologías de materiales alternativos para este rango de longitud de onda, así como a la falta de interés o demanda comercial.
660 a 900 nm: rojo intenso a infrarrojo cercano (IRLED)
La construcción de dispositivos en esta área puede tomar muchas formas diferentes, pero siempre utilizan elementos de arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) o arseniuro de galio (GaAs). Entre las aplicaciones se encuentran numerosos usos médicos (a 660-680 nm), así como controles remotos infrarrojos y luces de visión nocturna.
Teoría de funcionamiento del LED
Se debe aplicar un voltaje eléctrico que sea suficiente para que los electrones se muevan a través de la región de agotamiento y se combinen con un orificio en el otro lado para crear un par de orificios de electrones para que los LED, que son diodos semiconductores, emitan luz cuando un eléctrico la corriente se aplica en la dirección de avance del dispositivo. Esto hace que el electrón emita un fotón a medida que libera su energía en forma de luz.
La longitud de onda de la luz emitida depende de la banda prohibida del semiconductor. Los materiales de banda prohibida más alta emiten longitudes de onda más cortas porque las longitudes de onda más cortas tienen más energía. también son necesarios mayores voltajes para la conducción en materiales con una mayor banda prohibida. Mientras que los LED de infrarrojo cercano tienen un voltaje directo de 1,5 a 2.0 V, los LED azul UV de longitud de onda corta tienen un voltaje directo de 3,5 V.
Factores de disponibilidad y eficiencia para longitudes de onda
El potencial de mercado, la demanda de los consumidores y las longitudes de onda estándar de la industria son los principales determinantes de si una determinada longitud de onda es comercialmente viable o no. Esto es más notable en los rangos de longitud de onda de 420–460 nm, 480–520 nm y 680–800 nm. No hay fabricantes de gran volumen que produzcan dispositivos LED para estos rangos de longitud de onda, ya que no hay usos de gran volumen para ellos. Sin embargo, es factible ubicar proveedores pequeños o medianos que proporcionen productos para llenar estas longitudes de onda específicas a medida.
La región de longitud de onda donde cada tecnología de material es más efectiva se puede encontrar casi en el centro de cada rango. La eficiencia disminuye a medida que el nivel de dopaje del semiconductor aumenta o disminuye por debajo del nivel ideal. Por esta razón, un LED azul produce mucha más luz que un LED verde o UV cercano, el ámbar produce más luz que un LED verde amarillo y el IR cercano produce más luz que 660 nm. Diseñar para la mitad del espectro en lugar de los bordes siempre es una mejor opción. Además, es más sencillo obtener bienes que no superen las fronteras de la tecnología material.
Suministro de LED con corriente y voltaje
Los LED son diodos y deben operarse en un modo de corriente aunque sean semiconductores y requieran un voltaje mínimo para funcionar. Cuando se utilizan LED en modo CC, existen dos métodos principales: El uso de una resistencia limitadora de corriente es el más simple y el más popular. La considerable disipación de calor y potencia en la resistencia es un inconveniente de esta tecnología. El voltaje de suministro debe ser sustancialmente más alto que el voltaje directo del LED para que la corriente permanezca estable a través de los cambios de temperatura y de un dispositivo a otro.
Diversos proveedores ofrecen controladores LED disponibles comercialmente. Para el control de brillo, normalmente funcionan utilizando principios de modulación de ancho de pulso.
Surge un conjunto distinto de problemas al pulsar los LED en modo de alta corriente y/o alto voltaje para matrices conectadas en serie y en paralelo. No es factible para un diseñador principiante crear una unidad de impulsos controlada por corriente que pueda proporcionar 5 A y 20 V. Algunas empresas producen herramientas especializadas para LED que emiten impulsos.
LED en aplicaciones que la gente puede ver
El color exacto es mucho más importante en situaciones en las que los LED se ven directamente o se utilizan como iluminadores que la salida precisa en lúmenes o candelas. El cerebro hace ajustes excelentes para cualquier variación en la intensidad de la luz, mientras que el ojo humano es comparativamente indiferente a ellos. La persona promedio que ve una pantalla de video LED en un edificio, por ejemplo, no notará una reducción del 20 por ciento en la intensidad ya que las partes de la pantalla se ven a 10 o 20 grados fuera del eje en comparación con la parte directamente en el eje porque este es un cambio gradual que no se percibe a medida que avanza hacia el borde de la visión. Por el contrario, el ojo humano notará una variación de color y le resultará molesto si los LED de un área tienen una diferencia de longitud de onda de 10 nm con respecto a los de otras áreas.
La mayoría de los LED blancos que se usan hoy en día se crean mediante la infusión de un fósforo visible de longitud de onda más larga con un LED azul. La semejanza espectral con la luz del sol se mide mediante el índice de reproducción cromática (CRI). La mayoría de los LED que se utilizan en la iluminación general en la actualidad tienen un CRI superior a 80, y 100 se considera equivalente a la luz del sol. Los LED blancos se están convirtiendo en el producto más buscado para la mayoría de las aplicaciones de iluminación debido a los avances de CRI y la eficiencia óptica mejorada.
Beneficios y usos del LED
En comparación con las luces filtradas, los LED tienen varios beneficios para aplicaciones monocromáticas, ya que sus espectros de longitud de onda se especifican con mayor precisión. El ahorro de energía al emplear una bombilla incandescente filtrada para aplicaciones de iluminación general puede ser potencialmente 100 veces mayor. Aplicaciones como señales de tráfico y luces arquitectónicas se benefician enormemente de esto. Un diminuto panel solar puede alimentar fácilmente letreros LED portátiles de baja potencia para carreteras en lugar de un gran generador, lo cual es un claro beneficio.
En general, los LED son menos costosos, más confiables y pueden funcionar con dispositivos electrónicos más económicos que los láseres. Los LED ahora se clasifican por separado tanto en EE. UU. como en la Unión Europea. Afortunadamente, a diferencia de los láseres y los diodos láser, los LED no vienen con los mismos problemas o advertencias de seguridad para los ojos. Por otro lado, es imposible crear puntos ópticamente densos, muy pequeños y altamente colimados con LED. Casi siempre se necesita un láser en aplicaciones que exigen una densidad de potencia excepcionalmente alta en una región compacta.
Hoy en día, los LED se utilizan en una amplia gama de sectores y aplicaciones (Tabla 1). Estos dispositivos son extremadamente económicos y atractivos tanto para el consumidor como para los mercados industriales gracias a su gran confiabilidad, alta eficiencia y costo total reducido del sistema en comparación con los láseres y las lámparas. Cada tecnología LED y/o color únicos se han creado para satisfacer las necesidades de un uso particular.
