Los diodos emisores de luz , comúnmente conocidos como LED, son auténticos héroes anónimos en el mundo de la electrónica. Realizan muchas funciones diferentes en todo tipo de dispositivos.
Forman los números en los relojes digitales, transmiten información desde controles remotos, iluminan los relojes y le avisan cuando sus dispositivos están encendidos. Juntas, pueden formar imágenes en una pantalla de televisión gigante o iluminar un semáforo.
De hecho, los LED son simplemente pequeñas bombillas que encajan fácilmente en un circuito eléctrico. Pero a diferencia de las bombillas incandescentes, no tienen filamento encendido, consumen menos electricidad y no se calientan especialmente.
Se iluminan únicamente por el movimiento de los electrones en un material semiconductor y duran tanto como un transistor estándar.
La vida útil de un LED supera en varios miles de horas la corta vida útil de una bombilla incandescente. Debido a estas ventajas, los LED pequeños son una de las tecnologías más populares utilizadas para iluminar televisores LCD.
Los LED tienen varias ventajas sobre las lámparas incandescentes tradicionales, pero su principal ventaja es la eficiencia. En las bombillas incandescentes , el proceso de producción de luz implica generar mucho calor (hay que calentar el filamento para iluminar).
Esta energía se pierde por completo a menos que utilices la lámpara como calentador, porque gran parte de la electricidad disponible no se utiliza para producir luz visible.
Los LED generan muy poco calor, relativamente hablando. Un porcentaje mucho mayor de energía eléctrica se utiliza directamente para producir luz, lo que reduce significativamente las necesidades de electricidad.
Por vatio, los LED producen más lúmenes (o cantidades de luz visible) que las bombillas incandescentes normales.
Los diodos emisores de luz tienen una mayor eficiencia luminosa (eficiencia con la que la electricidad se convierte en luz visible) que las bombillas incandescentes.
Una bombilla incandescente de 60 vatios puede generar entre 750 y 900 lúmenes, pero una bombilla LED sólo utiliza de 6 a 8 vatios. Y esa misma bombilla LED puede durar 25.000 horas, mientras que es probable que la bombilla incandescente de 60 vatios sólo se encienda durante unas 1.200 horas.
En otras palabras, una bombilla LED puede durar tanto como 21 bombillas incandescentes de 60 vatios encendidas consecutivamente [fuente: EarthEasy].
Hasta hace poco, los LED eran demasiado caros para usar en la mayoría de las aplicaciones de iluminación porque están construidos con materiales semiconductores avanzados.
Sin embargo, el precio de los semiconductores cayó después del año 2000, lo que convirtió a los LED en una opción de iluminación más rentable para una amplia gama de situaciones. Aunque inicialmente son más caras que las bombillas incandescentes (alrededor de 5 dólares frente a 1 dólar por las bombillas incandescentes), su menor coste a largo plazo puede convertirlas en una mejor compra.
Varias empresas han comenzado a vender bombillas LED diseñadas para competir con las bombillas incandescentes y fluorescentes compactas . Estas bombillas prometen una larga vida de luz brillante y una sorprendente eficiencia energética.
En este artículo, examinaremos la tecnología detrás de estas omnipresentes señales de giro, destacando algunos principios de la electricidad y la luz.
¿Qué es un diodo?
Un diodo es la forma más simple de dispositivo semiconductor. Básicamente, un semiconductor es un material que varía en su capacidad para conducir corriente eléctrica.
La mayoría de los semiconductores consisten en un mal conductor al que se le añaden impurezas (átomos de otro material). El proceso de añadir impurezas se llama dopaje. En el caso de los LED, el material conductor suele ser arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs).
En el arseniuro de aluminio y galio puro, todos los átomos se unen perfectamente con sus vecinos, sin dejar electrones libres (partículas cargadas negativamente) para conducir la corriente eléctrica.
En un material dopado, átomos adicionales cambian el equilibrio, ya sea añadiendo electrones libres o creando huecos por donde pueden ir los electrones. Cualquiera de estos cambios hace que el material sea más conductor.
Un semiconductor que contiene electrones adicionales se denomina material tipo N porque contiene partículas adicionales cargadas negativamente.
En un material tipo N, los electrones libres se mueven de un área cargada negativamente a un área cargada positivamente. Un semiconductor con agujeros adicionales se llama material tipo P , porque en realidad tiene partículas extra cargadas positivamente.
Los electrones pueden saltar de un hueco a otro, pasando de una zona cargada negativamente a una zona cargada positivamente. Por lo tanto, los propios agujeros parecen moverse de un área cargada positivamente a un área cargada negativamente.
Un diodo consta de una sección de material tipo N unida a una sección de material 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 tipo N llenan los huecos en el material 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 aislante original: todos los huecos se llenan, por lo que no quedan electrones libres ni espacios vacíos para los electrones, y la electricidad no puede circular.
Para eliminar la zona de agotamiento , los electrones deben moverse de la zona de tipo N a la zona de tipo P y los huecos deben moverse en la dirección opuesta. Esto se hace conectando el lado tipo N del diodo al extremo negativo de un circuito y el lado tipo P al extremo positivo.
Los electrones libres del material tipo N son repelidos por el electrodo negativo y atraídos por el electrodo positivo. Los agujeros en el material tipo P se mueven en la otra dirección.
Cuando la diferencia de voltaje entre los electrodos es lo suficientemente alta, los electrones en la zona de agotamiento son expulsados de sus agujeros y comienzan a moverse libremente nuevamente. La zona de agotamiento desaparece y la carga atraviesa el diodo.
Si intenta pasar corriente en sentido contrario, con el lado tipo P conectado al extremo negativo del circuito y el lado tipo N conectado al extremo positivo, la corriente no fluirá. Los electrones negativos del material tipo N son atraídos por el electrodo positivo.
Los orificios positivos del material tipo P son atraídos por el electrodo negativo. No fluye corriente a través de la unión porque los huecos y los electrones se mueven en la dirección incorrecta.
¿Cómo puede un diodo producir luz?
La luz es una forma de energía que puede ser liberada por un átomo. Está formado por muchos pequeños paquetes de partículas que tienen energía y velocidad, pero no masa.
Estas partículas, llamadas fotones , son las unidades de luz más fundamentales. Los fotones se liberan como resultado del movimiento de electrones. En un átomo, los electrones se mueven en órbita alrededor del núcleo.
Los electrones en diferentes órbitas tienen diferentes energías. En general, los electrones más energéticos se mueven hacia órbitas más alejadas del núcleo.
Para que un electrón pase de un orbital inferior a uno superior, algo debe aumentar su nivel de energía. Por el contrario, un electrón libera energía cuando pasa de un orbital superior a un orbital inferior.
Esta energía se libera en forma de fotón. Una caída de energía mayor libera un fotón de mayor energía, que se caracteriza por una frecuencia más alta.
Como vimos anteriormente, los electrones libres que se mueven a través de un diodo pueden caer en los huecos vacíos de la capa tipo P. Esto implica una caída desde la capa de conducción a la capa tipo P.
Se trata de una caída de la banda de conducción a un orbital inferior, de modo que los electrones liberan energía en forma de fotones. Esto sucede en cualquier diodo, pero sólo se pueden ver los fotones cuando el diodo está hecho de un determinado material.
Los átomos de un diodo de silicio estándar, por ejemplo, están dispuestos de manera que el electrón recorra una distancia relativamente corta. Como resultado, la frecuencia del fotón es tan baja que es invisible para el ojo humano; se encuentra en la parte infrarroja del espectro de luz.
Por supuesto, esto no es necesariamente malo: los LED infrarrojos son excelentes, entre otras cosas, para controles remotos. Los diodos emisores de luz visibles (VLED), como los que iluminan los dígitos de un reloj digital, están hechos de materiales caracterizados por una mayor brecha entre la banda de conducción y los orbitales inferiores.
El tamaño del espacio determina la frecuencia del fotón; es decir, determina el color de la luz. Si bien los LED se utilizan en todo, desde controles remotos hasta pantallas digitales en dispositivos electrónicos, los LED visibles son populares gracias a su larga vida útil y su tamaño miniatura.
Dependiendo de los materiales utilizados en los LED, se pueden construir para brillar en infrarrojos, ultravioleta y todos los colores del espectro visible. Si bien todos los diodos emiten luz, la mayoría no lo hace de manera muy eficiente.
En un diodo normal , el propio material semiconductor acaba absorbiendo gran parte de la energía luminosa. Los LED están especialmente diseñados para liberar una gran cantidad de fotones hacia el exterior. Además, están alojados en una bombilla de plástico que enfoca la luz en una dirección determinada.
La mayor parte de la luz del diodo rebota en los lados de la bombilla y luego pasa por el extremo redondeado. Bombillas LED versus CFL y bombillas incandescentes.
Durante décadas, las bombillas incandescentes de 100 vatios han iluminado pasillos y dormitorios; Las bombillas incandescentes de 60 vatios brindan una luz más suave en lámparas de lectura y armarios.
Pero las luces incandescentes son ineficientes, desperdician mucha energía en forma de calor y tienen una vida útil más corta que las luces fluorescentes.
¿Por qué elegir un PMA?
Recientemente, las bombillas fluorescentes compactas (CFL) más eficientes se han convertido en alternativas populares. Mientras que las lámparas incandescentes duran un promedio de 1200 horas, las CFL pueden durar 10 000 horas [fuente: EarthEasy].
Desafortunadamente, las CFL contienen mercurio tóxico, lo que las hace potencialmente peligrosas y difíciles de eliminar. Aparece la bombilla LED. Los LED ofrecen las ventajas de las CFL: menor consumo de energía y mayor vida útil sin la desventaja del mercurio tóxico [fuente: Scheer and Moss].
Por ejemplo, una bombilla incandescente de 60 vatios consume más de 150 dólares de electricidad al año y proporciona unos 800 lúmenes de luz; una bombilla fluorescente compacta equivalente utiliza menos de 15 vatios y cuesta sólo unos 35 dólares en electricidad al año.
Las bombillas LED son incluso mejores: utilizan alrededor de 8,5 vatios de electricidad, cuestan alrededor de 21 dólares al año y duran 25.000 horas o más [fuente: EarthEasy]. Un año entero sólo tiene 8.760 horas.
¡Imagínese la vida útil de una bombilla LED en un hogar promedio! Los LED suenan muy interesantes y lo son, pero hay razones por las que todavía existen bombillas incandescentes y bombillas fluorescentes compactas.
¿Por qué elegir una bombilla LED?
La razón principal es el precio: las bombillas LED cuestan más que otras opciones, aunque los precios de las bombillas LED han bajado en los últimos años.
Sin embargo, su vida útil más larga y su consumo de energía significativamente reducido compensan la mayor barrera de entrada. Además del obstáculo del alto costo, los LED son vulnerables a las altas temperaturas.
Si los circuitos LED se calientan demasiado, fluirá más corriente a través de la unión mencionada anteriormente en este artículo. Cuando la unión se calienta demasiado, la bombilla se apaga [fuente: Revista LEDs].
Y aunque los LED no contienen mercurio (a diferencia de las CFL), pueden contener otros elementos peligrosos como plomo o arsénico [fuente: Scheer and Moss]. Además, un estudio encontró que la contaminación lumínica aumentaba con el uso de bombillas LED [fuente: Brady].
Algunas personas también prefieren el aspecto de la luz incandescente , ya que sienten que es más cálida que las bombillas CFL de aspecto amarillento y el brillo azulado de los LED.
La diferencia entre los tipos de iluminación puede requerir algunos ajustes, pero los LED también vienen en una variedad de tonos.
Los LED se pueden atenuar (a diferencia de las CFL) y son excelentes para promover el crecimiento de las plantas, ya que emiten toneladas de luz de manera eficiente sin producir calor que podría ser perjudicial para las plantas.
Si bien las CFL y las bombillas incandescentes se limitan al color de su carcasa, algunas bombillas LED se pueden modificar para emitir millones de colores.
Estas bombillas son generalmente más caras que sus contrapartes LED blancas, pero se pueden programar para cambiar de color según la hora del día , lo que brinda a las personas más control sobre su entorno.
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