Led

Led (diodo emisor de luz).
Ledes​ de 5 mm, de color rojo, verde y azul.
Tipo	pasivo optoelectrónico
Principio de funcionamiento	electroluminiscencia
Invención	Nick Holonyak (1962).
Símbolo electrónico
Terminales	ánodo y cátodo

Pixeles de una pantalla led de celular.

Un led​ (del acrónimo inglés LED, light-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’; el plural aceptado por la RAE es ledes​) es un componente optoelectrónico pasivo y, más concretamente, un diodo que emite luz.

Visión general

Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Los primeros ledes emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

Debido a su capacidad de operación a altas frecuencias, son también útiles en tecnologías avanzadas de comunicaciones y control. Los ledes infrarrojos también se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo equipos de audio y video.

Formas de determinar polaridad

Formas de determinar la polaridad de un led de inserción

Existen tres formas principales de conocer la polaridad de un led:

• La pata más larga siempre va a ser el ánodo.​
• En el lado del cátodo, la base del led tiene un borde plano.
• Dentro del led, la plaqueta indica el ánodo. Se puede reconocer porque es más pequeña que el yunque, que indica el cátodo.

Ventajas y desventajas

Ventajas

Los led presentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente y fluorescente, tales como: el bajo consumo de energía, un mayor tiempo de vida, tamaño reducido, resistencia a las vibraciones, reducida emisión de calor, no contienen mercurio (el cual al exponerse en el medio ambiente es altamente nocivo y posibilita el envenenamiento por mercurio), en comparación con la tecnología fluorescente, no crean campos magnéticos altos como la tecnología de inducción magnética, con los cuales se crea mayor radiación residual hacia el ser humano; reducen ruidos en las líneas eléctricas, son especiales para utilizarse con sistemas fotovoltaicos (paneles solares) en comparación con cualquier otra tecnología actual; no les afecta el encendido intermitente (es decir pueden funcionar como luces estroboscópicas) y esto no reduce su vida promedio, son especiales para sistemas antiexplosión ya que cuentan con un material resistente, y en la mayoría de los colores (a excepción de los ledes azules), cuentan con un alto nivel de fiabilidad y duración.

Tiempo de encendido

Los ledes tienen la ventaja de poseer un tiempo de encendido muy corto (menor de 1 milisegundo) en comparación con las luminarias de alta potencia como lo son las luminarias de alta intensidad de vapor de sodio, aditivos metálicos, halogenuro o halogenadas y demás sistemas con tecnología incandescente.

Variedad de colores

Ledes​ de distintos colores.

Ledes​ azules.

La excelente variedad de colores en que se producen los ledes ha permitido el desarrollo de nuevas pantallas electrónicas de texto monocromáticas, bicolores, tricolores y RGB (pantallas a todo color) con la habilidad de reproducción de vídeo para fines publicitarios, informativos o para señalización.

Desventajas

Según un estudio reciente parece ser que los ledes que emiten una frecuencia de luz muy azul, pueden ser dañinos para la vista y provocar contaminación lumínica.​ Los ledes con la potencia suficiente para la iluminación de interiores son relativamente caros y requieren una corriente eléctrica más precisa, por su sistema electrónico para funcionar con voltaje alterno, y requieren de disipadores de calor cada vez más eficientes en comparación con las bombillas fluorescentes de potencia equiparable.

Funcionamiento

Cuando un led se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor. Por lo general, el área de un led es muy pequeña (menor a 1 mm²), y se pueden usar componentes ópticos integrados para formar su patrón de radiación. Comienza a lucir con una tensión de unos 2 Voltios.

Historia

Primeras observaciones

Henry Joseph Round (1881-1966) fue la primera persona en observar luz emitida por un diodo de carburo de silicio en 1907.​​​

Desarrollo

Oleg Vladimírovich Lósev (1903-1942) desarrolló el primer led en 1927.​

Invención

Nick Holonyak inventó el led en 1962 mientras trabajaba como científico asesor en un laboratorio de General Electric en Syracuse (Nueva York).

Ledes rojos, verdes y amarillos

En los años sesenta el led se comenzó a producir industrialmente. Solo se podían construir de color rojo, verde y amarillo, con poca intensidad de luz y se limitaba su utilización a mandos a distancia (controles remotos) y electrodomésticos, como indicadores para señalar el encendido y apagado.

Monsanto primer fabricante de LEDs

En 1968, Monsanto se convirtió en la primera compañía en iniciar la producción en masa del primer tipo de diodo emisor de luz (visible) (LEDs), utilizando el arseniuro de galio fosfuro. Esto marcó el comienzo de la era que llegaría al actual LED para iluminación (muy tenue al principio). De 1968 a 1970, las ventas se duplicaron cada pocos meses. Sus productos (LEDs discretos y pantallas numéricas de siete segmentos) se convirtieron en los estándares de la industria. Los principales mercados fueron entonces las calculadoras electrónicas, relojes digitales y otros tipos de aplicaciones con display digital. Monsanto se convirtió en la pionera en el campo de la optoelectrónica durante la década de 1970, traspasando el lugar más tarde a HP. ​

Ledes ultravioletas y azules

A finales de los años noventa se inventaron los ledes ultravioletas y azules.

Ledes blancos

Gracias a la invención de los ledes azules se dio el paso al desarrollo del led blanco, que es un led de luz azul con recubrimiento de fósforo que produce una luz amarilla. La mezcla del azul y el amarillo (colores complementarios en el espectro RGB) produce una luz blanquecina denominada «luz de luna» que consigue alta luminosidad (7 lúmenes unidad), con lo cual se ha logrado ampliar su utilización en otros sistemas de iluminación.

Premio nobel de física

El 7 de octubre de 2014, los japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura (este último nacionalizado estadounidense), han sido distinguidos con el Premio Nobel de Física 2014 por inventar el diodo emisor de luz LED azul, anunció la Real Academia de las Ciencias de Suecia.

Visión detallada

Aplicaciones

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Pantalla de ledes en el Estadio de los Arkansas Razorbacks.

Los ledes en la actualidad se pueden acondicionar o incorporarse en un porcentaje mayor al 90 % a todas las tecnologías de iluminación actuales, casas, oficinas, industrias, edificios, restaurantes, arenas, teatros, plazas comerciales, gasolineras, calles y avenidas, estadios (en algunos casos por las dimensiones del estadio no es posible porque quedarían espacios oscuros), conciertos, discotecas, casinos, hoteles, carreteras, luces de tráfico o de semáforos, señalizaciones viales, universidades, colegios, escuelas, estacionamientos, aeropuertos, sistemas híbridos, celulares, pantallas de casa o domésticas, monitores, cámaras de vigilancia, supermercados, en transportes (bicicletas, motocicletas, automóviles, camiones tráiler, etc.), en linternas de mano, para crear pantallas electrónicas de led (tanto informativas como publicitarias) y para cuestiones arquitectónicas especiales o de arte culturales. Todas estas aplicaciones se dan gracias a su diseño compacto.

La pantalla en Freemont Street en Las Vegas es la más grande.

Ledes aplicados al automovilismo, vehículo con luces diurnas de ledes.

Vestuario Led para espectáculos escénicos, creado por Beo Beyond.

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc., y, en general, para aplicaciones de control remoto así como en dispositivos detectores, además de ser utilizados para transmitir datos entre dispositivos electrónicos como en redes de computadoras y dispositivos como teléfonos móviles, computadoras de mano, aunque esta tecnología de transmisión de datos ha dado paso al bluetooth en los últimos años, quedando casi obsoleta.

Los ledes se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras con ledes.

El uso de ledes en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico e iluminación de viales) está alcanzando cotas de crecimiento de hasta un 300 % anual, comenzando en el año 2007, en que se instaló iluminación LED en una vía pública por primera vez en Europa, en el paseo marítimo de Barbate (Cádiz) por un fabricante local. Sus prestaciones son superiores a las de la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, desde diversos puntos de vista. La iluminación con ledes presenta indudables ventajas: fiabilidad, mayor eficiencia energética, mayor resistencia a las vibraciones, mejor visión ante diversas circunstancias de iluminación, menor disipación de energía, menor riesgo para el medio ambiente, capacidad para operar de forma intermitente de modo continuo, respuesta rápida, etc. Asimismo, con ledes se pueden producir luces de diferentes colores con un rendimiento luminoso elevado, a diferencia de muchas de las lámparas utilizadas hasta ahora que tienen filtros para lograr un efecto similar (lo que supone una reducción de su eficiencia energética).

Las temperaturas de color más destacadas que encontramos en los LED son:

• Blanco frío: es un tono de luz fuerte que tira a azulado. Aporta una luz parecida a la de los fluorescentes.
• Blanco cálido: el tono de luz tira hacia amarillo como los halógenos.
• Blanco neutro o natural: aporta una luz totalmente blanca, como la luz de día.
• RGB: el LED está permitiendo en muchos productos conseguir diferentes colores. Quedan muy luminosos ya que es el propio LED el que cambia de color, no se usan filtros.

Cabe destacar también que diversas pruebas realizadas por importantes empresas y organismos han concluido que el ahorro energético varía entre el 70 y el 80 % respecto a la iluminación tradicional que se utiliza hasta ahora.​ Todo ello pone de manifiesto las numerosas ventajas que los ledes ofrecen en relación al alumbrado público.

Los ledes de luz blanca son uno de los desarrollos más recientes y pueden considerarse como un intento muy bien fundamentado para sustituir los focos o bombillas actuales (lámparas incandescentes) por dispositivos mucho más ventajosos. En la actualidad se dispone de tecnología que consume el 92 % menos que las lámparas incandescentes de uso doméstico común y el 30 % menos que la mayoría de las lámparas fluorescentes; además, estos ledes pueden durar hasta 20 años.​ Estas características convierten a los ledes de luz blanca en una alternativa muy prometedora para la iluminación.

También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través de fibra óptica. Sin embargo esta aplicación está en desuso ya que actualmente se opta por tecnología láser que focaliza más las señales de luz y permite un mayor alcance de la misma utilizando el mismo cable. Sin embargo en los inicios de la fibra óptica eran usados por su escaso coste, ya que suponían una gran ventaja frente al coaxial (aún sin focalizar la emisión de luz).

Pantalla de ledes: pantalla muy brillante formada por filas de ledes verdes, azules y rojos ordenados según la arquitectura RGB, controlados individualmente para formar imágenes vivas muy brillantes, con un altísimo nivel de contraste. Entre sus principales ventajas, frente a otras pantallas, se encuentran: buen soporte de color, brillo extremadamente alto (lo que le da la capacidad de ser completamente visible bajo la luz del sol), altísima resistencia a impactos.

Tecnología de fabricación

En corriente continua (CC), todos los diodos emiten cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan; es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía) emitiendo fotones en el proceso. Indudablemente, por ende, su color dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los ledes e IRED (diodos infrarrojos), además, tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.

Compuestos empleados en la construcción de ledes

Compuesto	Color	Long. de onda
arseniuro de galio (GaAs)	infrarrojo	940 nm
arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)	rojo e infrarrojo	890 nm
arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)	rojo, anaranjado y amarillo	630 nm
fosfuro de galio (GaP)	verde	555 nm
nitruro de galio (GaN)	verde	525 nm
seleniuro de cinc (ZnSe)	azul
nitruro de galio e indio (InGaN)	azul	450 nm
carburo de silicio (SiC)	azul	480 nm
diamante (C)	ultravioleta
silicio (Si)	en desarrollo

Los primeros ledes construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los años noventa por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió —por combinación de los mismos— la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de cinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología led son los ledes ultravioleta, que se han empleado con éxito en la producción de luz negra para iluminar materiales fluorescentes. Tanto los ledes azules como los ultravioletas son caros respecto a los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.

Los ledes comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 vatio para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor (véase convección) generado por el efecto Joule.

Hoy en día se están desarrollando y empezando a comercializar ledes con prestaciones muy superiores a las de hace unos años y con un futuro prometedor en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminación. Como ejemplo, se puede destacar que Nichia Corporation ha desarrollado ledes de luz blanca con una eficiencia luminosa de 150 lm/W utilizando para ello una corriente de polarización directa de 20 miliamperios (mA). Esta eficiencia, comparada con otras fuentes de luz solamente en términos de rendimiento, es aproximadamente 1,7 veces superior a la de la lámpara fluorescente con prestaciones de color altas (90 lm/W) y aproximadamente 11,5 veces la de una lámpara incandescente (13 lm/W). Su eficiencia es incluso más alta que la de la lámpara de vapor de sodio de alta presión (132 lm/W), que está considerada como una de las fuentes de luz más eficientes.​

Explicación detallada de funcionamiento

A: ánodo B: cátodo 1: lente/encapsulado epóxico (cápsula plástica). 2: contacto metálico (hilo conductor). 3: cavidad reflectora (copa reflectora). 4: terminación del semiconductor 5: yunque 6: poste 7: marco conductor 8: borde plano

El funcionamiento normal consiste en que, en los materiales conductores, un electrón, al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía perdida, cuando pasa un electrón de la banda de conducción a la de valencia, se manifieste como un fotón desprendido o como otra forma de energía (calor por ejemplo) depende principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la zona positiva se mueven hacia la zona negativa y los electrones se mueven de la zona negativa hacia la zona positiva; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo.

Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable. Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda prohibida directa (direct bandgap) con la energía correspondiente a su banda prohibida (véase semiconductor). Esto no quiere decir que en los demás semiconductores (semiconductores de banda prohibida indirecta (indirect bandgap) no se produzcan emisiones en forma de fotones; sin embargo, estas emisiones son mucho más probables en los semiconductores de banda prohibida directa (como el nitruro de galio) que en los semiconductores de banda prohibida indirecta (como el silicio).

La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en todos los diodos y solo es visible en diodos como los ledes de luz visible, que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible. En otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En el caso de que el diodo libere la energía en forma de radiación ultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiación para producir radiación visible mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes que absorban la radiación ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luz visible.

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es solo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un led es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo.

Para obtener buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el led. Para ello hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación. Los valores típicos de corriente directa de polarización de un led corriente están comprendidos entre los 10 y los 40 mA. En general, los ledes suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos). El primer led que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

Diagramas

Circuito básico de polarización directa de un solo led.

Circuito básico para polarizar varios ledes de manera directa.

Para conectar ledes de modo que iluminen de forma continua, deben estar polarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de alimentación conectado al ánodo y el polo negativo conectado al cátodo. Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a su tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no exceda los límites admisibles, lo que dañaría irreversiblemente al led. (Esto se puede hacer de manera sencilla con una resistencia R en serie con los ledes). En las dos imágenes de la derecha pueden verse unos circuitos sencillos que muestran cómo polarizar directamente ledes.

La diferencia de potencial varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada.

En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los siguientes valores de diferencia de potencial:​

• Rojo = 1,8 a 2,2 voltios.
• Anaranjado = 2,1 a 2,2 voltios.
• Amarillo = 2,1 a 2,4 voltios.
• Verde = 2 a 3,5 voltios.
• Azul = 3,5 a 3,8 voltios.
• Blanco = 3,6 voltios.

Luego, mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia R adecuada para la tensión de la fuente V_fuente que utilicemos. $R={\frac {{V_{fuente}}-{(V_{d1}+V_{d2}+....)}}{I}}$

En la fórmula, el término I se refiere al valor de corriente para la intensidad luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 miliamperios para ledes de baja luminosidad y 20 mA para ledes de alta luminosidad; un valor superior puede inutilizar el led o reducir de manera considerable su tiempo de vida.

Otros ledes de una mayor capacidad de corriente, conocidos como ledes de potencia (1 W, 3 W, 5 W, etc.), pueden ser usados a 150 mA, 350 mA, 750 mA o incluso a 3000 mA dependiendo de las características optoeléctricas dadas por el fabricante.

Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las diferencias de potencial en cada uno. También se pueden hacer configuraciones en paralelo, aunque este tipo de configuraciones no son muy recomendadas para diseños de circuitos con ledes eficientes.

Tecnologías relacionadas

OLÉ

El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (ledes orgánicos), fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, y son biodegradables, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas en color.

El OLED (organic light-emitting diode: ‘diodo orgánico de emisión de luz’) es un diodo basado en una capa electroluminiscente que está formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan a un determinado estímulo eléctrico, generando y emitiendo luz por sí mismos.

No se puede hablar realmente de una tecnología OLED, sino más bien de tecnologías basadas en OLED, ya que son varias las que hay, dependiendo del soporte y finalidad a la que vayan destinados. Su aplicación es realmente amplia, mucho más que cualquier otra tecnología existente. Pero además, las tecnologías basadas en OLED no solo tienen una aplicación puramente como pantallas reproductoras de imagen, sino que su horizonte se amplía al campo de la iluminación, privacidad y otros múltiples usos que se le pueda dar.

Las ventajas de esta nueva tecnología son enormes, pero también tiene una serie de inconvenientes, aunque la mayoría de estos son totalmente circunstanciales y desaparecerán, en unos casos, conforme se siga investigando en este campo, y en otros, conforme vaya aumentando su uso y producción.

Una solución tecnológica que pretende aprovechar las ventajas de la eficiencia alta de los ledes típicos (hechos con materiales inorgánicos principalmente) y los costes menores de los OLED (derivados del uso de materiales orgánicos) son los sistemas de iluminación híbridos (orgánicos/inorgánicos) basados en diodos emisores de luz. Dos ejemplos de este tipo de solución tecnológica los está intentado comercializar la empresa Cyberlux con los nombres de HWL (hybrid white light: ‘luz blanca híbrida’) y HML (hybrid multicolor light: ‘luz multicolor híbrida’), cuyo resultado puede producir sistemas de iluminación mucho más eficientes y con un coste menor que los actuales.​

Véase también

OLED AMOLED Crystal LED

Diodo láser Pantalla láser

Fotodiodo Henry Joseph Round

Referencias

• El contenido de este artículo incorpora material de una entrada de la Enciclopedia Libre Universal, publicada en español bajo la licencia Creative Commons Compartir-Igual 3.0.

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Led.
• Vídeo explicativo sobre el funcionamiento del led en YouTube.
• «El diodo led», artículo en el sitio web Rduinostar.
• «Conceptos de LED», artículo en el sitio web LedsHomeStores.