Electrónica Básica: Diodos Emisores de Luz: LED

Nacido como simple fuente emisora de luz para sistemas de señalización, o indicación de funcionamiento,  el diodo LED (Lighting-emitting diode) comenzó su vida útil en la elemental tarea de sustituir a las tradicionales y pequeñas bombillas incandescentes de filamento de tungsteno, a partir de los años 60, durante el siglo XX. Hoy, con los continuos avances en su desempeño, los LEDs se han convertido en la fuente de luz dominante, no sólo en los equipos electrónicos, sino también la sustitución de las tradicionales lámparas incandescentes y fluorescentes en todas las aplicaciones posibles. Un fenómeno descubierto por puro azar y observación, destinado a ser la iluminación del futuro, visto desde un nivel inicial para que puedas comprender su funcionamiento y aprovechar todos los beneficios que un LED puede ofrecerte. ¿Te interesa saber sobre LEDs? Este artículo es para ti.

En el primer decenio del siglo XX, Henry Joseph Round, mientras realizaba experimentos intentando mejorar el rendimiento de los receptores de radio, que funcionaban sin energía y basados en la galena, observó una extraña luminosidad que aparecía desde determinados materiales semiconductores con los que se experimentaba. Como te mencionamos en artículos anteriores, hubo épocas en la historia de las ciencias en que el empirismo llevaba a las personas a experimentar hasta con piedras en su afán de obtener resultados que, en oportunidades como esta, resultaban en acontecimientos que nada tenían que ver con el fenómeno deseado. Round aspiraba a modificar la estructura del elemental receptor de radio con detector a galena ensayando con diferentes materiales semiconductores a los que les hacía circular pequeñas corrientes eléctricas. Sorprendido por el hallazgo de encontrar que el carburo de silicio emitía diferentes luminosidades cuando era atravesado por corrientes eléctricas, (afortunadamente) dejó escritos, anotaciones y cartas enviadas a diversos ámbitos editoriales que avalaron el descubrimiento del fenómeno y sentaron las bases del verdadero origen del diodo electroluminiscente (LED).

Veinte años más tarde, un joven ruso Oleg Lósev abocado al estudio del fenómeno del momento que era por aquellos años la radio y aprovechando los avanzados trabajos con semiconductores que ya existían, “re-descubre” lo que Round había experimentado en forma parcial. Durante dos décadas, Lósev se dedicó a perfeccionar un dispositivo que fuera capaz de generar energía lumínica y a observar todas las ventajas que esta novedosa fuente de luz poseía, por sobre las luminarias tradicionales, además de describir con bases y análisis académico la explicación del fenómeno electroluminiscente. Los descubrimientos y el avance de Lósev estuvieron orientados a lograr un relé óptico y estos trabajos e investigaciones se vieron truncadas por las guerras mundiales donde Lósev muere a los 39 años. El trabajo de Lósev estaba muy lejos de orientarse a la iluminación sino que, el relé óptico mencionado antes, estaba destinado a aplicaciones dentro del mundo de las telecomunicaciones. Observa este interesante video de Make Magazine donde la historia es descripta en imágenes:

Fue recién hacia 1962 cuando la floreciente industria de los semiconductores desempolvó los escritos de Round y Lósev y dio forma a los diodos LEDs que hoy conocemos. En sus primeras apariciones no fueron más que indicadores luminosos de funcionamiento o de estado, eran de color rojo y se aplicaban para señalar el funcionamiento de una radio hasta para formar los dígitos de un reloj electrónico. Junto a su desarrollo, miniaturización y a los beneficios de un bajo consumo energético, los LED llegaron a formar parte de pequeños relojes “pulsera” utilizados durante los años 70. Pero antes de avanzar hacia la explicación de funcionamiento de un diodo LED, sería interesante saber como funciona esta maravilla.

Un diodo LED es lo que el término inicial nos indica: un diodo. Es decir, un dispositivo electrónico que será capaz de permitir la circulación de la corriente en un sentido (polarización directa) y se comportará como una llave, o interruptor abierto, en el sentido contrario (polarización inversa). Es decir, en el momento en que la corriente no circule a través de él, no emitirá luminosidad mientras que, al estar polarizado en directa, la corriente circulará por su interior y su química interna permitirá la emisión de fotones que vemos en forma de luz. Pero, ¿cómo es esto? Al igual que cualquier diodo semiconductor, el LED posee dos regiones semiconductoras definidas P y N “dopadas” o “enriquecidas” con impurezas de otros materiales diferentes al elemento base que le proveen características particulares a cada región. Entendamos este concepto: A un semiconductor (selenio, germanio, silicio, etc.) donde las cargas libres (electrones) alcanzan una estabilidad térmica y eléctrica (no se agitan, ni vibran, ni se mueven de un lado a otro) se le agrega una impureza (se crea una aleación) que lo transformará en otro semiconductor con características especiales.

Por si no has comprendido lo que hemos encontrado en el video extraído de la web; si tenemos un semiconductor formado por átomos que tienen cuatro electrones en su última órbita (que los utilizan para enlazarse a los átomos vecinos) y le agregamos la impureza de otro material con átomos que tengan tres electrones en su última órbita, estaremos dejando un enlace sin formar, estaremos generando un hueco o laguna y en consecuencia obtendremos un nuevo tipo de semiconductor con abundancia de huecos, ergo, carencia de electrones. Por el contrario, si a la aleación la formamos con un material que tenga cinco electrones en su última órbita obtendremos en cada enlace atómico un electrón libre o sobrante. Esto sería, nuevamente, un nuevo tipo de semiconductor con abundancia de electrones libres. Hasta aquí, lo que hemos creado son nuevos tipos de semiconductores que serán útiles para dar forma a dispositivos activos y en el caso del que tenga abundancia de huecos o lagunas lo llamaremos “tipo P” (un hueco es una carga positiva, o una ausencia de carga negativa) y al que posea electrones libre “tipo N” (un electrón es una carga negativa). Esta clase de semiconductores no son pieza de museo o cosas raras que solo sirven para torturar estudiantes; muy por el contrario, son los elementos que forman cada dispositivo que dan forma y funcionamiento al equipo que estás utilizando en este momento para leer este artículo.

El semiconductor en estado puro, por ejemplo el silicio (de quien tanto leemos y a quien tanto citamos en cada artículo que escribimos) es sencillamente algo inútil y por sí mismo, no tiene posibilidades de considerase “activo”. La adición y/o combinación con otros materiales, lo transforman en un elemento dinámico y útil para formar sistemas combinados que darán origen a dispositivos activos. El silicio, sólo debe poseer una alta pureza cuando está destinado a ser procesado para convertirlo en otra clase de semiconductor “basado en silicio”. El silicio por sí solo, es solo un elemento inútil. Ni conductor, ni aislante, sólo un semiconductor inútil, algo similar a un elemento resistivo. Recuérdalo siempre para comprender la base de la electrónica. De este modo entonces, cuando unimos un elemento tipo P y otro tipo N se produce una pequeña circulación de corriente de electrones libres (desde el material tipo N) tratando de ocupar los huecos que abundan en el material tipo N.

Existe un punto en que la dinámica de circulación de electrones se encuentra con una franja o “barrera” formada por semiconductor electrónicamente estable (recuerda: que no es ni conductor ni aislante) y no tendrán la fuerza o energía suficiente como para “saltar” esta barrera o espacio de juntura y la combinación electrónica se detendrá estabilizando el dispositivo creado. Es decir, por un lado un semiconductor tipo P (con abundancia de huecos, lagunas o espacios libres), una barrera de potencial y otro lado formado por un semiconductor tipo N con abundancia de electrones libres que no tendrán la energía suficiente para llegar a la zona donde habitan los huecos (ávidos de ser ocupados).

Distintos tipo de impurezas, de tamaños, de técnicas constructivas y de cantidades de elementos N y P utilizados darán forma a todos los semiconductores que hoy conoces. Diodos, Transistores, Tiristores, Triacs, etc. Entre ellos, nuestros elementos destacados de hoy, los LEDs. La particularidad del LED es que, gracias al tipo de semiconductor (o aleación de minerales que forman un semiconductor) utilizado en su construcción (no en todo se usa silicio) y a las impurezas agregadas, tendremos que el resultado de la combinación de electrones con huecos generará energía en forma de fotones o, dicho de otro modo, la combinación electrónica nos entregará luz. No vamos a detenernos en análisis más profundos, sólo nos interesa aprender este funcionamiento básico que, no es mágico sino que, es la simple combinación de un electrón con un hueco (o laguna) en materiales cuidadosamente seleccionados y adaptados a cumplir esta función.

Como siempre leímos, un diodo conduce en un sentido y no en el otro, es decir, si aplicamos tensión en un sentido se establecerá una circulación de corriente mientras que si la tensión se invierte la corriente se interrumpe. Esto es muy sencillo de comprender si interpretamos que al inyectar electrones en la región N se generan huecos o lagunas en la región P y este suministro de energía permite a los electrones “saltar” la barrera o juntura y combinarse con los huecos o lagunas de la región P , para de este modo, iniciar la circulación de corriente. Por el contrario, si polarizamos de manera inversa la unión PN los electrones ocuparán rápidamente los huecos o lagunas del material P y los electrones libres del material N se fugarán hacia la fuente de energía dejándonos un trozo homogéneo de semiconductor estabilizado, sin electrones libres, y que se comportará como un aislante. Es decir, no permitirá la circulación libre de corriente. Así funciona cualquier tipo de diodo y tu atención deberá estar siempre puesta en el modo en que lo conectas para obtener los resultados que deseas. En el caso de los LEDs, para obtener emisión de luz la polarización deberá ser directa.

Los LEDs ofrecen una serie de ventajas para los desarrolladores de aplicaciones en general. Mientras que las fuentes tradicionales de luz permiten una liberación de fotones en todas las direcciones y en una amplia gama de longitudes de onda, los LED proporcionan una iluminación altamente direccional, en longitudes de onda relativamente estrechas. Este fenómeno está determinado por el tipo de material semiconductor empleado en la construcción de la unión PN. Los LEDs, además, son mucho más rápidos que las fuentes de luz tradicionales, por ejemplo, una lámpara incandescente. Son capaces de encenderse y apagarse instantáneamente, sin tiempo ni necesidad de calentamiento previo. De hecho, los LEDs se pueden activar rápidamente y de forma indefinida, con poco o ningún impacto en la vida del dispositivo y a una velocidad donde el ojo humano no puede percibir cambios tan rápidos. Por ejemplo, las aplicaciones donde se utiliza PWM (modulación por ancho de pulsos) o para transmitir información aislada de manera óptica (optoacopladores).

Los LEDs operan en un amplio rango de temperaturas y por supuesto, ofrecen características mejoradas a bajas temperaturas. Esto es, a menor temperatura existe una agitación térmica menor (o nula en el mejor de los casos) que impide los “saltos” indeseados de electrones de una región a otra. En el aspecto mecánico, los LEDs son dispositivos pequeños, compactos y robustos que pueden ser utilizados de forma fiable en entornos reducidos y alcanzan una vida útil donde cualquier iluminación tradicional no podría caber ni sobrevivir.

En su forma más simple, un circuito de conducción LED sólo necesita una resistencia de limitación de corriente y su representación gráfica es la misma que la de un diodo convencional. En este punto iniciamos la parte fundamental de la comprensión y el entendimiento sobre cómo debemos utilizar un diodo LED. Lo primero que debemos apreciar es saber analizar cuál será la aplicación de uso ya que, a una misma tensión de trabajo, la corriente de polarización directa no será la misma para el LED de un pequeño optoacoplador que para un LED de 1W utilizado en luminarias domiciliarias. Por lo tanto, lo primero que debemos aprender (no preguntar cómodamente en un foro o por mail a un amigo) es cuál será la corriente de trabajo en polarización directa para alcanzar una operación segura con un brillo satisfactorio. Por ejemplo, para los clásicos LEDs de 3, 5 y 10 milímetros (de cualquier color) la corriente óptima de funcionamiento se ubica alrededor de los 15 miliamperes. Por el contrario, para un optoacoplador del tipo PC817 bastará con sólo 5 miliamperes para energizar su LED a pleno, mientras que, en otras aplicaciones de alta luminosidad (alta potencia) encontrarás LEDs que necesitan más de 1000 miliamperes para funcionar correctamente.

Luego, debemos saber la tensión de trabajo en polarización directa. Esta será muy variable de un LED a otro, en función de los materiales de fabricación del dispositivo, aunque para cada color existen parámetros de referencia conocidos que nos facilitarán los cálculos. Finalmente, la Ley de Ohm será la herramienta que nos facilitará el cálculo de la resistencia limitadora necesaria para un funcionamiento apropiado. ¿De qué se trata un funcionamiento apropiado? De lograr una corriente de trabajo segura para que ésta no genere temperaturas perjudiciales al dispositivo. Será muy bonito exprimir al máximo un LED para que emita la mayor cantidad de luz posible pero debemos ser conscientes que terminará “cocinándose” rápidamente y su vida útil será efímera. Por lo tanto, aquí es donde debes poner el mayor de los cuidados: en tomar los datos necesarios de las hojas de datos de los fabricantes y aprovecharlos para tus cálculos. De ellos dependerá el éxito de tu trabajo con LEDs.

En el mercado existe una enorme variedad de diodos emisores de luz que abarcan todas las longitudes de onda del espectro luminoso, de dos y tres colores (RGB) además de una variedad de potencia muy amplia, hasta llegar a elementos láser de elevado poder. No es nuestra intención extendernos en todo ese mundo de variedades. Basta con que comprendas el funcionamiento de los más elementales para deducir luego el comportamiento y la adaptación de otros modelos más elaborados, dedicados a tus aplicaciones específicas. Además, siempre estamos en el Foro de Electrónica de NeoTeo para compartir experiencias y ampliar conocimientos que puedan ayudarte a utilizar los LEDs de la mejor manera. Y tu, ¿en qué utilizas LEDs?