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LEDs, funcionamiento, tipos y controladores

LEDs, todos hemos visto esas luces de colores en casi todos los aparatos electrónicos y eléctricos; hoy abordaremos este tema, en donde conoceremos los direfentes tipo, como funcionan, esto les ayudará a elegir los más apropadiado para sus proyectos.

Diodo emisor de luz (LED)

Es un dispositivo de estado sólido que convierte la energía eléctrica en luz de un solo color. Se trata básicamente de un tipo especializado de diodo de unión PN que emite luz visible, infrarroja o luz láser a diferentes longitudes de onda, a partir de una fina capa de material semiconductor dopado fuertemente.

El led produce luz fría, que resulta en la generación en una alta eficiencia. A diferencia de los LED, las lámparas y las bombillas incandescentes normales generan grandes cantidades de calor que iradian energía en el espectro visible. Al ser un dispositivo de estado sólido, los LED son más duraderos, pequeños y proporcionarán mucho más tiempo de vida de la lámpara que otras fuentes de luz normales.

Construcción de LED

La construcción del LED no es similar a un diodo rectificador normal. El LED consiste en una unión PN rodeado por un cuerpo duro, transparente plástico de resina epoxi en forma semiesférica. El cual protege el LED de golpes y vibraciones. La unión de LED no emite mucha luz, por lo que la construcción del cuerpo de resina epoxi ayuda en la reflexión a distancia los fotones emitidos de la luz de la base de sustrato circundante, centrándose de este modo hacia arriba a través de la parte superior.

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Sin embargo, algunos LEDs tienen una construcción cilíndrica o de forma rectangular con una parte superior o superficie plana. El cátodo y el terminal de ánodo de un LED normalmente son identificados por una muesca, o por un cable más corto que el otro.

Funcionamiento del LED

Un diodo emisor de luz (LED) es un tipo de diodo semiconductor que emite luz cuando una corriente fluye desde el ánodo al cátodo a través de la unión PN del dispositivo. Por lo tanto, un LED requiere una alimentación de corriente continua para polarizar la unión con un voltaje positivo para el funcionamiento normal. La tensión a la relación actual de LED no es lineal como se muestra en la figura 2, por lo que el LED se enciende a una tensión más baja y rápidamente llama mucha mayor corriente cuando la tensión aumenta.
Figura 1 - símbolo de circuito de un LED y la dirección del flujo de corriente convencional

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Figura 2 - Corriente vs Característica voltaje del LED

Requisitos de desviación del LED

La intensidad de salida de luz de LED es directamente proporcional a la corriente que fluye hacia adelante a través de él. Sin embargo, la duplicación de la actual no proporciona el doble de la salida de luz. Una solución mejor es utilizar múltiples LED para lograr la salida de luz deseada. El LED está conectado a través de una fuente de alimentación en una condición de polarización directa, que debe ser protegido de flujo excesivo de corriente usando un resistor en serie.

El método más simple para controlar la corriente para la conducción de los LEDs es mediante el empleo de un resistor en serie como se muestra en la Figura 3
LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Figura 3 - Circuito de polarización del LED con una resistencia en serie

Por lo tanto, utilizando la ley de Ohm podemos expresar:
Donde: IF = corriente directa
VCC = tensión de alimentación
VF = tensión directa
R = resistencia en serie.

Ventajas de LED

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores 1. Energía eficiente para fuentes de luz para áreas pequeñas y cortas distancias
2. De tamaño pequeño
3. Durable y resistencia a golpes y vibraciones
4. Muy rápido en el tiempo
5. Buena resolución de color
6. Puede integrarse en un sistema de control
7. Puede ser alimentado por una batería portátil

Desventajas de los LED

1. Puede ser poco fiable para aplicaciones al aire libre con grandes variaciones de temperatura
2. Emplear grandes disipadores de calor para proteger los semiconductores del daño por calor

Aplicaciones

Los LED se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Algunas aplicaciones típicas de LEDs incluyen:
1. Semáforos
2. Lámparas indicadoras en los dispositivos, los juguetes, la ropa, etc.
3. Las aplicaciones médicas
4. Los signos y los indicadores
5. Optoacopladores y optoaisladores

Tipos de LED

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Los tipos de LED se clasifican en tres categorías que se subdividen como sigue:


Figura 4: Clasificación de los LEDs

LEDs miniatura

Los LEDs miniatura son uno de los LED de uso más común, son considerablemente más pequeños y tienen un solo color o forma. Estos LED se utilizan como indicadores de dispositivos en los mandos a distancia, calculadoras y teléfonos móviles. Son nuevos, los LEDs actuales y ultra bajo están sub-divididos en alto nivel de salida variables en las especificaciones. Con su diseño simple y pequeño tamaño, se pueden utilizar directamente en un circuito sin necesidad de un controlador de calor.

Figura 5: LEDs miniatura en diferentes tamaños

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores LEDs, funcionamiento, tipos y controladores

LEDs de alta potencia

Los LEDs de alta potencia son capaces de proporcionar una salida mucho mayor en términos de luminosidad en comparación con los LEDs estándar. Estos LEDs se utilizan generalmente en lámparas de alta potencia, faros y entornos industriales. Se subdividen en función de la tensión, la intensidad luminosa y la longitud de onda. El sobrecalentamiento es un factor considerable en LEDs de alta potencia; por lo tanto, tienen que ser debidamente instalados en el material absorbente de calor o sea, disipadores. El control sobre ciertas temperaturas y corriente máxima puede ayudar a garantizar la fiabilidad y la longevidad de los LED.
Figura 6: Montaje superficial LED encendido

LEDs específicos de una aplicación

Figura 7: Reloj digital con pantalla LED
LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Los LEDs requeridos para aplicaciones específicas se denominan como LEDs para aplicaciones específicas. Un ejemplo de aplicación de LEDs específicos para un reloj digital se muestra a la izquierda

Se dividen en sub-categorías de la siguiente manera:

Flash - el LED flash se utiliza generalmente como un indicador de atención en los signos, vehículos, etc. Parpadea la luz a una frecuencia específica. Contiene un circuito integrado adicional y no requieren la conexión de un resistor en serie con la fuente de alimentación.

Bi-color y de tres colores - Como su nombre lo explica, estos LEDs pueden emitir dos o tres colores respectivamente. Ellos son capaces de eliminar uno o todos los colores al mismo tiempo. Los LEDs bicolor tienen dos conductores, mientras que los LED de tres colores por lo general tienen tres conductores, incluyendo ánodo, cátodo y cátodo común.

RGB - Estos son los LEDs rojos, verdes, azules, que permiten la emisión de una combinación de colores primarios con precisión. Se utilizan en diversas aplicaciones, incluyendo la pantalla de vídeo, espectáculos de luz, etc. Ellos requieren circuitos electrónicos para el control de la difusión y mezcla.

Alfanumérico - Los LEDs alfanuméricos se utilizan para mostrar letras, números y símbolos. Se utilizan por lo general en tableros, relojes digitales, etc. Estos LEDs están disponibles en un número diferente de segmentos crecientes en versatilidad con el aumento de los segmentos.

Iluminación - Los LED de iluminación están disponibles en una variedad de tamaños y formas y también se les conoce como barras o lámparas LED. Estos LED se utilizan con más frecuencia debido a que han aumentado la superficie total para escapar del calor.

Técnicas de conducción del LED

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores La función principal de los conductores de LEDs es entregar corriente constante en lugar de tensión constante en todo el rango de condiciones de operación, independientemente de la entrada y salida. Los requisitos del controlador son especificados por la disposición de LEDs y sus parámetros de funcionamiento. Las técnicas de conducción de LEDs se basa en un número de métodos que son como sigue:

Método de resistor de limitador

El Resistor actúa como un limitador de corriente, pero no se utiliza como un circuito de control de corriente para el LED. Un resistor típico limita el circuito controlador del LED y se muestra en la figura a la izquierda. Es un método simple y de bajo costo para la conducción del LED. Sin embargo, hay ciertas desventajas con el uso de este método incluyendo una pobre eficiencia, variación de la corriente debido a cambios en la tensión directa, y la generación de calor de la resistencia.
Figura 8: Resistor Limitador Controlador de LED

Método de regulación Lineal

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Se trata de un método sencillo que utiliza un IC lineal con fuente de corriente constante para controlar la corriente del LED. Una fuente de corriente lineal proporciona una corriente constante al LED en todo el rango de tensión de alimentación. También proporciona beneficios de funciones de diagnóstico. Resistores externos se pueden añadir para ajustar la corriente del LED. Un circuito típico controlador de LED utilizando un IC lineal con fuente de corriente constante, si se muestra en la figura de la izquierda.

Figura 9: Regulación lineal con fuente de corriente constante

Convertidor DC / DC

Otro método que se utiliza comúnmente para la conducción de los LED es un convertidor CC/CC que proporciona corriente constante al LED en todo el rango de tensión de alimentación. Las diferentes topologías usadas en este método incluyen Buck, Boost, etc. Este método reduce la pérdida de energía mediante la optimización de la longitud de la cadena de LED. Ofrece la mayor eficiencia y protección de alta temperatura. Sin embargo, tienen un aumento en el conteo de los componentes.

LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Figura 10: Diagrama de bloques del convertidor DC / DC para la conducción del LED

Control de brillo - PWM

El brillo del LED se controla variando la corriente o mediante el uso de una técnica llamada PWM (Pulse Width Modulation). PWM es el método más estable para lograr la atenuación de LED. Se varía la relación de pulso de tiempo de ON vs el tiempo total de un pulso (ciclo de trabajo), manteniendo la corriente a nivel nominal.
LEDs, funcionamiento, tipos y controladores Figura 11: PWM Regulación para el Control del brillo del LED

Fuente original (en inglés):LEDs, Operation, Types and Drivers


De interés

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Todo circuito electrónico necesita un medio para ensamblarlo, esta es la función de los circuitos impresos ( PCB ). Originalmente vienen en placas vírgenes de baquelita o fibra de vidrio y una capa delgada de cobre en el cual se plasma o diseña el circuito basado en el diagrama o esquema del circuito.