TIPOS
DE
LEDS
OPTOELECTRONICA
Componentes Optoelectrónicos
Se incluyen dentro de la denominación de Componentes Optoelectrónicos todos aquellos elementos o dispositivos semiconductores capaces de producir una radiación luminosa comprendida dentro del espectro visibles por los seres humanos o fuera del mismo (infrarrojos). También de incluyen los componentes sensibles a la luz y cuyo funcionamiento esta gobernado por ella. Se van a considerar también otros dispositivos no semiconductores que aunque no presentan unas propiedades opto electrónicas como los anteriores, tienen unas aplicaciones similares y en la actualidad se encuentran en una fase de crecimiento gracias a los progresos tecnológicos realizados. Se trata de los cristales líquidos.
Por ultimo, también se incluyen otros componentes que se emplean como indicadores gráficos (displays), cuya estructura y principio de funcionamiento esta basada en una técnica muy similar a la de las válvulas o tubos de vacío.
En resumen van a ser descritos los componentes siguientes:
-Diodos luminiscentes o LED.
-Fotodiodos.
-Indicadores gráficos o displays luminiscentes.
-Optoacopladores.
-Fototransistores.
-Indicadores gráficos o displays por cristal liquido.
-Indicadores gráficos o displays fluorescentes.
Diodos luminiscentes
El principio de funcionamiento de los diodos luminiscentes o LED, del ingles
(Light Emitting Diode), consiste en la emisión de una radiación luminosa por un elemento en estado sólido cuando se le somete a una determinada polarización eléctrica, excluyendo los efectos comunes de emisión de luz como consecuencia de la aplicación de una temperatura elevada ( filamentos de la bombillas de iluminación domestica).
Una forma de emisión de radiación luminosa por un sólido se produce en la pantalla de un tubo de rayos catódicos, cuando los fósforos que la recubren son sometidos a un bombardeo electrónico producido por la incidencia del haz catódico.
Sin embargo el efecto que se va a analizar es la electroluminiscencia de una unión P-N similar en la mayor parte de sus propiedades a la de un diodo convencional.
Este fenómeno fue detectado, de una forma no provocada, en el año 1923 por Lossew cuando realizaba algunos experimentos sobre una unión P-N.
Mas recientemente, en el año 1962 algunos estudios y experiencias realizadas
Con el material denominado Arseniuro de Galio (Ga As) demostraron que era posible obtener unos elevados niveles de emisión luminosa partiendo de uniones P-N. A partir de este momento, varias compañías dedicaros sus esfuerzos a conseguir un diodo luminiscente con un proceso de fabricación que permitiera realizar una elevada producción, con unos costos lomas bajo posible para llegar a la rápida expansión de este producto que se ha alcanzado en los últimos años.
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TIPOS DE LEDS |
Recombinación
El efecto físico de la emisión de luz se genera en el interior de la unión P-N en el instante en que se produce una recombinación de un hueco con un electrón. La recombinación ya fue analizada en anteriores paginas al hablar del funcionamiento del diodo y del transistor; este efecto puede estar o no acompañado de una radiación electromagnética, fruto de la energía liberada durante dicho fenómeno. En el caso de los semiconductores comunes no existe esta radiación y la energía se transforma en calor.
Los diodos luminiscentes aprovechan este fenómeno y generan radiaciones, comprendidas generalmente dentro del espectro visible, o fuera del mismo como es el caso de los infrarrojos. La frecuencia de la radiación depende de los materiales usados en la unión P-N, con lo que pueden obtenerse diferentes colores, variando la composición de los mismos, según se observa en la tabla adjunta.
La eficiencia de radiación luminosa depende fundamentalmente de la corriente que atraviesa el LED, así como del área, la geometría de la unión semiconductora y el tamaño del contacto eléctrico.
Aplicaciones
Una gran parte de las aplicaciones de los LED reside en la construcción de pequeñas lámparas, encapsulando el semiconductor en un recinto de plástico con una superficie transparente, situada en la región inmediatamente superior a la unión P-N.
Características
Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la elección del modelo mas adecuado para la aplicación concreta a que se le va a destinar, son los siguientes:
-Eficiencia.
-Color.
-Directividad.
-Tensión directa.
-Corriente inversa.
-Disipación de potencia.
La eficiencia es la relación entre la intensidad luminosa emitida, medida en unas unidades denominadas milicandelas (mcd) y la corriente eléctrica en mA que produce dicha radiación.
Se presenta por Iv. Los valores normales oscilan entre los 0,5 y 2 mcd a 20 mA.
El color depende de la frecuencia de la radiación, existiendo tres que son los que han estandarizado la mayoría de los fabricantes, se trata del rojo, verde y amarillo - anaranjado. En el caso de LED de infrarrojos, la radiación no será visible y, por tanto, este factor no existirá.
La directividad esta definida por el máximo ángulo de observación de luz que permite el tipo concreto de LED, respecto al eje geométrico del mismo. Este parámetro depende de la forma del encapsulado, así como la existencia o no de una lente amplificadora en el mismo.
En los modelos de mayor directividad este ángulo es pequeño y tiene la apariencia de producir una intensidad luminosa mas elevada que los otros, en los que la luz se reparte sobre una superficie mucho mayor.
Cada modelo de LED dispone de una curva de directividad en la que se representa el nivel de intensidad luminosa en función del ángulo de observación. Esta curva resulta de mucha utilidad para la elección de un modelo determinado.
La tensión directa (VF) es la diferencia de potencial es la diferencia de potencial que se produce entre los dos terminales del LED cuando le atraviesa la corriente de excitación.
Esta comprendida entre 1,5 y 2,2v para la mayoría de los modelos.
La corriente inversa (Ir) es la máxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una polarización inversa. Valores típicos de este parámetro se encuentran alrededor de los m A (microamperios).
La disipación de potencia es la fracción de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiación visible, teniéndola que disipar al ambiente en forma de calor. En las aplicaciones clásicas de los LED se necesita una resistencia en serie con el mismo, con la misión de limitar la corriente que circula por el, absorbiendo la diferencia de potencial entre la fuente de alimentación y la tensión directa (Vf). El valor de esta resistencia se calcula mediante la siguiente formula: R = Va - Vf /If, en la que Va es el valor en voltios de la tensión de la fuente, Vf es la tensión directa ya conocida e If es la corriente directa que debe de circular por el LED para alcanzar la intensidad luminosa esperada.
La indicación de la polaridad de los terminales se realiza haciendo que el terminal que corresponde al ánodo tenga una longitud mayor que el del cátodo. Además, se añade un pequeño aplanamiento en la cápsula en una zona próxima al terminal catódico.
Fotodiodos
Los foto diodos son unos dispositivos semiconductores construidos a base de una unión P - N, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Su funcionamiento esta basado en el fenómeno inverso de los LED, es decir, que en este caso se produce una separación de huecos y electrones, como consecuencia de absorción de la energía de la luz incidente sobre la estructura del semiconductor.
Región de Transición
Suponiendo un fotodiodo inversamente polarizado por la acción de una tensión exterior, se generara en el mismo una región de transición, similar a la del caso de un diodo convencional, en las zonas próximas a las superficies de contacto entre el lado P y el N. En esta región es donde estará aplicada la gran mayoría de la tensión externa, ya que es la zona de máxima resistencia de la estructura. Si el fotodiodo recibe una radiación luminosa, se producirá la separación de cargas, antes citada, en cualquiera de las tres regiones: P, región de transición y N.
En las zonas P y N, estas cargas se recombinaran, ya que no existe una tensión eléctrica que las pueda hacer circular, por lo tanto no ejercerán ninguna influencia. Sin embargo, las cargas eléctricas, en formas de huecos y electrones producidas en la región de transición se separaran rápidamente, forzadas por la tensión aplicada, dirigiéndose los huecos hacia el lado P y los electrones hacia el N, dando lugar a la circulación de una corriente eléctrica.
Este fenómeno será tanto mayor cuando mas ancha sea la región de transición, por lo tanto en la fabricación de estos componentes se recurre a producir una zona elevada resistividad a base de introducir entre la región P y la N una tercera zona semiconductora sin <<dopar>> o en estado intrínseco I, formándose un diodo P - I - N.
La estructura geométrica del fotodiodo es vertical, de forma que la capa N es la inferior, sobre ella se encuentra la zona I y en la parte superior la P: por lo tanto la luz incide en esta ultima que debe de ser atravesada para poder alcanzar la zona <<activa>>.
Como puede deducirse, la aplicación de estos componentes en los circuitos se realizan de forma que queden inversamente polarizados, con lo que producirán una cierta circulación de corriente en los momentos en que sean excitados por la luz exterior.
Efecto fotovoltaico
Una característica destacable en los foto diodos es su capacidad de comportarse como células fotovoltaicas, es decir que en ausencia de una tensión exterior generan un débil potencial con el positivo en el ánodo y en el negativo en el cátodo.
Indicadores
Los displays, termino cuya traducción puede ser la de presentadores o indicadores gráficos, son unos componentes cuya función principal es la de ofrecer indicaciones de números, ilustraciones, imágenes o símbolos. Su aplicación principal es, entonces la de facilitar las comunicaciones hombre - maquina.
Existen varias tecnologías para la fabricación de displays, siendo la basada en los LED, una de las mas importantes hasta la fecha aunque actualmente tiende a ser desplazada por el fuerte desarrollo de los dispositivos Fluorescentes y de Cristal Liquido (LCD).
Cristal liquido
Uno de los elementos es el displays de cristal liquido (LCD).
El fenómeno electro - óptico del cristal liquido es un descubrimiento muy reciente que se remonta al año 1970 en el que Schadt - Helfrich descubrió que algunos líquidos formaban cristales polarizados de la luz cuando se le sometía a una diferencia de potencial.
El desarrollo industrial de este descubrimiento fue muy rápido, ya que a partir del año 1973 han aparecido en el mercado una gran variedad de displays de este tipo, aplicados a relojes digitales, calculadoras e instrumentos de medida.
El fenómeno del LCD esta basado en la existencia del algunas sustancias que se encuentran en estado sólido y liquido simultáneamente, con lo que las moléculas que le forman tienen una capacidad de movimiento elevado, como en los líquidos, presentando además una tendencia a ordenarse en el espacio de una forma similar a los cuerpos sólidos cristalinos. El display o visualizador LCD esta formado por una capa muy delgada de cristal liquido del orden de 20 micras (1 micra = 0,001 milímetros) encerrada entre dos superficies planas de vidrio sobre las que están aplicados unos polarizadores ópticos que solo permiten la transmisión de la luz según un plan horizontal o vertical.
Indicadores fluorescentes
El ultimo dispositivo electro - óptico que se va a considerar es el display fluorescente de vació.
Su funcionamiento esta basado en unos principios físicos semejantes a los de una válvula electrónica de vació del tipo tríodo, en la que se deposita sobre la placa o ánodo una capa de material fluorescente que produce una radiación luminosa cuando es excitado por la corriente electrónica que incida sobre el, este efecto es parecido al de encendido de la pantalla de un tubo de rayos catódicos.
Estructuras
Se componen de uno o varios filamentos que en forma de hilos muy finos, apenas perceptibles a simple vista, se encuentran próximos a la cubierta de vidrio; sobre cada carácter o digito y a cierta altura esta situada una rejilla individual y en la superficie inferior dispuestos los ánodos también individuales. Los dígitos adoptan la estructura clásica de siete segmentos aunque en algunos modelos de displays se incluyan caracteres especiales y en otros casos se realizan diseños adaptados a una aplicación especifica tal como los indicadores de hora para relojes, indicadores de sintonía e incluso medidores de nivel de salida de aparatos de sonido con una escala calibrada en decibelios.
Los ánodos de los segmentos homólogos de cada dígitos están unidos eléctrica mente adoptando la configuración denominada de ánodo común. Para realizar su encendido es necesario disponer de una tensión de alimentación del filamento, además de las necesarias para la excitación de rejilla y ánodo de los caracteres que hayan de ser activados en cada momento. las características que los define son los siguientes:
El display completo está contenido en un recinto hermético de vidrio rectangular sellado en el que se ha practicado el vació. Los terminales de conexión asoman al exterior a lo largo de uno o de los dos bordes laterales del dispositivos, encontrándose además la porción del tubo de vidrio que fue empleado para extraer el aire, durante el proceso de fabricación.
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EJEMPLOS DE DISPLAYS CONSTRUIDOS CON LEDS |
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La información de OPTOELECTRONICA fue recopilada por el alumno KIWEL NICOLAS de 4to 3ra
ELECTRONICA I de la Escuela de Educación Técnica N° 5 de Tigre.