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E-NIGMAElectrnica - Fascculo de coleccin #01

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100 Proyectos de electrnicaUsando LEDs

Obras Fascculos

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Contenido

Proyectos con Amplificadores OperacionalesAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis reictibus. Ed ma cus cone conse nostis as susae

RobticaAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis

DecodificadoresAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis

Interfaces para PCAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis

Energia AlternativaAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis

MicrocontrolaodresAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis

Proyectos con el Temporizador NE555Adit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis reictibus. Ed ma cus cone conse nostis as susae

Electrnica para Bachillerato - Primer MduloAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis reictibus. Ed ma cus cone conse nostis as susae

Electrnica para Bachillerato - Segundo MduloAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis reictibus. Ed ma cus cone conse nostis as susae

Proyectos con Circuitos DigitalesAdit ipsam inctore pa pres mi, aliquam id elenimint veniminctur, od quia ped modignis reictibus. Ed ma cus cone conse nostis as susae

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100 Proyectos de electrnicaUsando LEDs

Enigma se complace una vez mas en presentar este proyecto. Un curso de aprendizaje interactivo y divertido para los entusiastas que deseen aprendrer a realizar proyectos de electrnica, sencilos e interesantes que son fciles de contruir.

Si tienes alguna duda puedes ponerte en contacto conmigo a los correos en el directorio de esta revista o visitndonos en nuestra web.

Editorial

Bienvenidos


Nociones GeneralesUn led (del acrnimo ingls LED, light-emitting diode: diodo emisor de luz; el plural aceptado por la RAE es ledes ) es un componente optoelectrnico pasivo y, ms concretamente, un diodo que emite luz.

Quias restiae volecatem. Et officius moluptatus. Simet everis eaque plibus. Vid enimoluptas nonsequo quo volest, sitaerovid quo blautecte nobit, comnimos sa venimentet Os ut faceped errorum iliaest offic tem.

LEDSegn la Wikipedia, un led (del acr-nimo ingls LED, light-emitting diode: diodo emisor de luz; el plural acepta-do por la RAE es ledes ) es un com-ponente optoelectrnico pasivo y, ms concretamente, un diodo que emite luz.

travs de l, o por causa de la fuerza de un campo elctrico. Debe distinguirse de la emisin de luz por causa de la temperatura (incandescencia), por causa de la accin de productos qumicos (quimioluminiscencia) o de otros fenmenos que tambin pueden generar luz.

Historia del Diodo Emisor de Luz (LED)

La historia del LED y su desarrollo posterior ha transcurrido en paralelo al siglo XX. Ya en 1907, Henry Joseph Round, especialista en las comunicaciones por radio, descubre el efecto fsico de la electroluminiscencia. Durante muchos aos, su hallazgo pas desapercibido por la comunidad cientfica.

El primer diodo LED fue diseado por Oleg Vladimirovich Losev (quien

H

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Extras

Proyectos

imagenes

Adjuntos

Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y en ilumina-cin. Los primeros ledes emitan luz roja de baja intensidad, pero los dis-positivos actuales emiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

Debido a sus altas frecuencias de operacin son tambin tiles en tecnologas avanzadas de comunicaciones. Los ledes infrarrojos tambin se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores e infinidad de aplicaciones de hogar y consumo domstico.

ElectroluminiscenciaLa Electroluminescencia es un fenmeno ptico y elctrico en el cual un material emite luz en respuesta a una corriente elctrica que fluye a

lassedesignen - Fotolia.com #53286064


fabric un LED de xido de cinc y carburo de silicio). Losev public los detalles de su trabajo en 1927, en una revista cientfica rusa, y abri el camino a los posteriores descubrimientos. Pero se le considera como el padre del LED moderno, a Nick Holonyak quien invent el primer LED que emita en el espectro visible en 1962, cuando trabajaba para General Electric.

Quince aos ms tarde, ya desde su ctedra en la Universidad de Illinois, descubrira el lser de punto cuntico, que abri las puertas a las comunicaciones a travs de la fibra ptica, los reproductores de CD y numerosas aplicaciones en el mundo de la medicina.

Respecto a la aplicacin industrial del LED, fue en los aos 60 y 70 cuando tuvo un gran desarrollo. En 1962, en paralelo al hallazgo de Holonyak, sale al mercado el primer diodo luminiscente rojo. Serva como indicador, ya que su luz todava no era suficiente para iluminar una gran superficie. No es hasta 1971 que estn disponibles LED en otros colores: verde, naranja y amarillo.

En la dcada de los 90, se desarrollaron los ultravioleta y azules, lo que permiti crear LED de luz blanca, a travs de conversin luminiscente en 1995. Este hecho y la gran luminosidad conseguida lo convierte en un elemento muy til en la iluminacin.El LED es un elemento que ha estado y est en continuo desarrollo. Durante ms de treinta aos, ha sido utilizados como sealizacin e iluminacin industrial, en productos de consumo como telfonos inteligentes, televisiones, automviles, ordenadores, seales de trfico o en el

mbito de la decoracin.

Su eficacia sigue mejorando a gran velocidad y ya supera los 100 lm/W. Es de notar que muy difcilmente un LED se queme, si puede ocurrir que se ponga en cortocircuito o que se abra como un fusible e incluso que explote si se le hace circular una elevada corriente, pero en condiciones normales de uso un LED se degrada o sea que pierde luminosidad a una tasa del 5 % anual.

Cuando el LED ha perdido el 50% de su brillo inicial, se dice que ha llegado al fin de su vida til y eso es lo que queremos decir cuando hablamos de vida de un LED.

La vida de un LEDUn rpido clculo nos da que en un ao hay 8760 horas por lo que podemos considerar que un LED de AlInGaP tiene una vida til de ms de 10 aos.Como dijimos uno de factores fundamentales que atentan contra este nmero es la temperatura, tanto la temperatura ambiente como la interna generada en el chip, por lo tanto luego nos referiremos a tcnicas de diseo de circuito impreso para bajar la temperatura.

Explicaremos un detalle de mucha importancia respecto a los LEDs y su construccin. Cuando se fabrica el LED, se lo hace depositando por capas a modo de vapores, los distintos materiales que componen el LED, estos materiales se depositan sobre una base o sustrato que influye en la dispersin de la luz. Los primeros leds de AlInGaP se depositaban sobre sustratos de GaAs el cual absorbe la luz innecesariamente.

Los LEDs son dispositivos que emiten luz cuando se les conecta a la electricidad.

Emiten distintos colores dependiendo del material del que fueron hechos.

Algunos requieren un voltaje distinto, y tienen una duracin que depende del material del que fueron hechos.


La TransparenciaUn adelanto en este campo fue reemplazar en un segundo paso el sustrato de GaAs por uno de GaP el cual es transparente, ayudando de esta forma a que ms luz sea emitida fuera del encapsulado. Por lo tanto este nuevo proceso dio origen al TS AlInGaP (Tranparent Substrate) y los AlInGaP originales pasaron a denominarse AS AlInGaP (Absorbent Susbtrate). Luego este mismo proceso se utilizo para los led de GaAlAs dando origen al TS GaAlAs y al As GaAlAs.

Los Colores del ArcoirisEn ambos casos, la eficiencia luminosa se incrementaba tpicamente en un factor de 2 pudiendo llegar en algunos casos a incrementarse en un factor de 10. Como efecto secundario de reemplazar el As por el TS se nota un pequeo viro al rojo en la frecuencia de emisin, generalmente menor a los 10nm.A final de los 90 se cerr el circulo sobre los colores del arco iris, cuando gracias a las tareas de investigacin del Shuji Nakamura, investigador de Nichia, una pequea empresa fabricante de LEDs de origen japons, se llego al desarrollo del LED azul, este LED siempre haba sido difcil de conseguir debido a su elevada energa de funcionamiento y relativamente baja sensibilidad del ojo a esa frecuencia (del orden de los 460nm).

Hoy en da coexisten varias tcnicas diferentes para producir luz azul, una basada en el SiC Silicio Carbono otra basada en el GaN Galio Nitrgeno, otra basada en InGaN Indio-Galio-Nitrgeno sobre substrato de Zafiro y otra GaN sobre sustrato SiC. El compuesto GaN, inventado por Nakamura, es actualmente el ms

utilizado. Otras tcnicas como la de ZnSe Zinc Selenio ha sido dejadas de lado y al parecer el SiC seguir el mismo camino debido a su bajo rendimiento de conversin y elevada degradacin con la temperatura.

El Color BlancoDado que el azul es un color primario, junto con el verde y el rojo, tenemos hoy en da la posibilidad de formar el blanco con la combinacin de los tres y toda la gama de colores del espectro, esto permite que los display gigantes y carteles de mensajes variables full color se hagan cada da ms habituales en nuestra vida cotidiana. Es tambin posible lograr otros colores con el mismo material GaN, como por ejemplo el verde azulado o turquesa, de una frecuencia del orden de los 505 nm.

Este color es importante ya que es el utilizado para los semforos y entra dentro de la norma IRAM 2442 Argentina y VTCSH parte 2 americana y otras. Su tono azulado lo hace visible para las personas daltnicas. El daltonismo es una enfermedad congnita que hace a quien lo padece ser parcialmente ciego a determinadas frecuencias de color, generalmente dentro de ellas est la correspondiente al verde puro que tiene una frecuencia del orden de los 525 nm.

Otros colores tambin son posibles de conseguir como por ejemplo el prpura, violeta o ultravioleta. Este ltimo es muy importante para la creacin de una forma ms eficiente de producir luz blanca que la mera combinacin de los colores primarios, ya que aadiendo fsforo blanco dentro del encapsulado, este absorbe la radiacin ultravioleta y

emite frecuencia dentro de todo el espectro visible, logrando luz blanca en un proceso similar al que se produce en el interior de los tubos fluorescentes. A veces el fsforo posee una leve tonalidad amarillenta para contrarrestar el tono azulado de la luz del semiconductor.

Luego de tantos materiales y frecuencias de ondas seria bueno resumir todo esto en una forma mas clara, es por ello en la tabla 1.1 se detallan los distintos frecuencias de emisin tpica de los LEDs comercialmente disponibles y sus materiales correspondientes. Los datos tcnicos fueron obtenidos de distintos fabricantes. Es de notar que la resolucin del ojo es del orden de los 3 a 5 nm segn el color de que se trate.

Para finalizar

En resumen, luego de todo lo explicado, podemos concluir que hoy en da es posible conseguir LEDs en todo el espectro visible y ms all. Con una elevada vida til, elevado brillo, alta eficiencia lumnica y estndares de calidad de acuerdo a exigentes normas de nivel mundial. Su bajo consumo comparado con otras fuentes de luz incluso inferior a las lamparas de bajo consumo y tubos fluorescentes, lo posiciona dentro del grupo de los productos ambientalmente amigables y ecolgicos.

Sumado a todo esto nos encontramos con que su precio y disponibilidad en el mercado lo hacen cada vez ms asequible al publico en general e indicado para cada ves mas aplicaciones de uso cotidiano en el mundo del siglo XXI.


Concepto de LED

Un diodo LED es bsicamente una juntura de silicio P-N de un diodo semiconductor diseado para emitir luz visible y como vimos anteriormente,

vienen en muchos colores. Existen los diodos que emiten luz infrarroja que no podemos ver a simple vista, pero si lo vemos a travs de un visor electrnico como una cmara digital, podemos ver el destello.

Cuando unimos Silicio N y Silicio P, tenemos una juntura semiconductora P-N este es el dispositivo semiconductor mas simple y es conocido con el nombre de diodo y es la base de toda la electrnica moderna.

El diodo permite la circulacin de corriente en un sentido pero no en el sentido contrario tal como sucede en los molinetes de subte con las personas.

Cuando conectamos el diodo a una batera con el terminal P al borne negativo y el terminal N al borne positivo (lo conectamos en inversa) tenemos que en el primer caso los huecos son atrados por los electrones que provienen del terminal negativo de la batera y ese es el fin de la historia. Lo mismo sucede del lado N, los electrones libres son atrados hacia el terminal positivo.

Por lo tanto no circula corriente por la juntura ya que electrones y agujeros se movieron en sentido contrario (hacia los terminales del diodo)

Si damos vuelta el diodo (lo conectamos en directa), tenemos que los electrones libres del terminal N se repelern con los electrones libres del terminal negativo de la batera por lo que los primeros se dirigirn a la zona de juntura. En el terminal positivo tenemos que los huecos del terminal P se repelern con los huecos del terminal positivo de la batera por lo tanto los huecos del semiconductor se dirigirn a la juntura.

En la juntura los electrones y los huecos se re-combinan formando as una corriente que fluir en forma permanente.

Un diodo real cuando se conecta en reversa tiene una pequea corriente de perdida del orden de los 10 micro amperios que se mantiene aproximadamente constante mientras la tensin de la batera no supere un determinado nivel, luego del cual la corriente crece abruptamente, esta zona se llama zona de ruptura o avalancha. Generalmente esta zona queda fuera de las condiciones normales de funcionamiento.

Hay que mencionar que dicha

Frecuencia Color Material940 Infrarrojo GaAs890 Infrarrojo GaAlAs700 Rojo profundo GaP660 Rojo profundo GaAlAs640 Rojo AlInGaP630 Rojo GaAsP/GaP626 Rojo AlInGaP615 Rojo Naranja AlInGaP610 Naranja GaAsP/GaP590 Amarillo GaAsP/GaP590 Amarillo AlInGaP565 Verde Gap565 Verde Gap 525 Verde InGaN525 Verde GaN505 Verde turquesa InGaN/Zafiro498 Verde turquesa InGaN/Zafiro480 Azul SiC450 Azul InGaN/Zafiro430 Azul GaN425 Azul InGaN/Zafiro370 Ultravioleta GaN

Tabla 1.1 Materiales y frecuencias de emisin tpicas de un LED

Frecuencias de ondas Seria bueno resumir todo esto en una forma mas clara, es por ello en la tabla 1.1 se detallan los distintos frecuencias de emisin tpica de los leds comercialmente disponibles y sus materiales correspondientes. Los datos tcnicos fueron obtenidos de distintos fabricantes. Es de notar que la resolucin del ojo es del orden de los 3 a 5 nm segn el color de que se trate.


corriente inversa es casi linealmente dependiente de la temperatura.

Cuando el diodo se conecta en directa veremos que sobre sus extremos se produce una cada de tensin del orden de los 0.6 voltios para los diodos de silicio normales. Esta cada de tensin es un reflejo de la energa necesaria para que los electrones salten la juntura y es caracterstica de cada material. Este valor es conocido como potencial de salto de banda (band gap)

Tenemos entonces que para sacar un electrn de su orbita necesitamos energa y que esta se pierde en el transcurso de su recorrido dentro del diodo, esta energa se transforma en radiacin, bsicamente calor u ondas infrarrojas en un diodo normal.

De diodos a L.E.D.sComo dijimos, si la energa que se necesita es pequea, se tendr que dicha energa se emitir en ondas infrarrojas de relativamente baja frecuencia, si el material necesitara mas energa para que se produzca el paso de la corriente, las ondas que emitir el diodo tendran mas energa y se pasara de emitir luz infrarroja a roja, naranja, amarilla, verde, azul, violeta y ultravioleta.

O sea el diodo emitira luz monocromtica en el espectro visible y ms all. Ya tenemos el LED.

Por supuesto a ms alta frecuencia mayor ser la cada de tensin por lo que pasaremos de 0.6v de cada para un diodo normal a 1,3 v para un LED infrarrojo, 1,8 v. para un LED rojo, 2,5 v. para uno verde, y 4,3v. para un LED azul y ms de 5v. para un LED ultravioleta.

Estas distintas longitudes de ondas se forman combinando distintas proporciones de materiales, los mismos que se enumeraron al inicio.

Simbologa de un LEDEl diodo LED se identifica por el smbolo de un diodo con la particularidad que va encerrado en ocasiones, un crculo y siempre, dos flechas pequeas hacia arriba ya la derecha indicando luminidad.

Caractersticas Elctricas de un LED

Como lo dijimos anteriormente, un LED es similar a un diodo con la diferencia que ste emite luz.

El voltaje sobre un LED comn de color rojo es de 1.6 voltios de corriente directa, aunque pueden haber de 2 voltios tambin. Mientras que un LED de color verde puede encender a 2.4 voltios.

Esta diferencia se compensa con una resistencia como se puede notar en la figura 1.2

El LED produce luz cuando la corriente directa fluye en la direccin correcta y la cantidad de luz que el LED

emite es proporcional a la cantidad de corriente que pase en el LED mismo.

Esto significa que la cantidad de luz se incrementa mientras ms corriente le demos al LED.

Operando un LED a la Corriente Directa

No es recomendable conectar un LED a una Corriente Directa (DC por siglas en ingls) Es necesario emplear una resistencia en serie con el LED para proteger la integridad del LED, porque si no se protege, limitando la corriente elctrica, podemos causar un dao permanente al LED (se quema).

El LED debera de encender desde los 1.6 voltios a los 2.0 voltios aproximadamente y en ocasiones la corriente elctrica que hay en los componentes, suele ser mayor, por tal motivo es que se utilizan resistencias

Figura 1.2

Figura 1.1


que limitan la corriente hacia el LED.

Calcular la Resistencia

El valor de la resistencia se puede calcular empleando una frmula y asumiendo que el valor en voltios del LED es de 1.6 voltios.

La siguiente expresin puede ser usada para calcular la resistencia en un circuito:

R = (Vs - Vf) / IfDonde:R es la resistencia en serie requerida cuyo valor se calcula en Ohmios

Vs es la corriente Directa en Voltios

Vf es la cada de tensin directa

If es el amperaje deseado en la corriente elctrica.

Como ejemplo, el LED opera a 20 mA y el voltaje de cada es de 1.6 voltios. La fuente de poder es una batera de 6 voltios. Entonces el valor de la resistencia (R) es de:

R = (6 - 1.6) / .02La respuesta sera de: 220 OhmiosPorque 6 - 1.6 = 4.4 y si lo dividimos entre 0.02 nos da 220

Para una batera de 9 Voltios de corriente directa, la resistencia puede ser de 390 Ohmios en una intensidad (amperaje) de 15mA. Y debido a que no es crtico el nivel de resistencia, podemos emplear una tolerancia desde el 5% (banda dorada) hasta un 10% (banda plateada) con un 1/4 de Watt de potencia a disipar.

Como consejo, el LED debera de brillar correctamente en los quipos electrnicos a 25 mA o un poquito ms.

Generalmente se usan los LEDs para indicar que algn equipo se encuentra encendido o en modo de ESPERA (es el modo Standby en ingls)

Operando un LED a la Corriente Alterna

El LED puede ser operado empleando una fuente de voltaje de corriente alterna, de igual forma se requiere de una resistencia limitadora, con la nica indicacin de colocar la mitad del valor de la resistencia puesto que la corriente alterna lleva dos corrientes senoidales.

Adems de tener una resistencia limitadora de corriente en serie, el LED requiere proteccin contra la tensin inversa excesiva debido a su tensin inversa muy baja, por lo tanto, es muy importante utilizar diodos de proteccin de silicio al emplear los LEDs con circuitos de conduccin de AC.

El LED que opera en (6 voltios) en corriente alterna fuente se muestra en la figura. 1.3

Aqu se observar que el circuito de conduccin del LED utiliza una resistencia en serie y un diodo de fijacin en derivacin a travs del LED en paralelo inverso. Este diodo rectificador protege el LED de la excesiva tensin de pico inverso que es muy baja en el caso de un LED.


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