{{cite web|url=http://www.myledpassion.com/History/hj-round.htm|title=HJ Round was a pioneer in the development of the LED|website=www.myledpassion.com|access-date=April 11, 201...
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Partes de un LED convencional. Las superficies planas inferiores del yunque y el poste incrustados en la resina epoxi actúan como anclajes, para evitar que los conductores se salgan a la fuerza debido a la tensión mecánica o la vibración.Primer plano de un LED con el voltaje aumentando y disminuyendo para mostrar una vista detallada de su funcionamiento.Imagen de primer plano de un LED de montaje en superficie.Lámpara LED de diseño compacto con forma de bombilla , disipador de calor de aluminio , cúpula difusora de luz y casquillo E27 , que utiliza una fuente de alimentación integrada conectada a la red eléctrica.
Los primeros LED, que aparecieron como componentes electrónicos prácticos en 1962, emitían luz infrarroja (IR) de baja intensidad . [ 7 ] Los LED infrarrojos se utilizan en circuitos de control remoto , como los que se emplean en una amplia variedad de dispositivos electrónicos de consumo. Los primeros LED de luz visible eran de baja intensidad y se limitaban al color rojo.
Los LED ofrecen numerosas ventajas sobre las bombillas incandescentes , como un menor consumo energético , menor emisión de calor , una vida útil más larga , mayor robustez, menor tamaño y una conmutación más rápida. Sin embargo, a cambio de estas ventajas, los LED presentan desventajas como limitaciones eléctricas (limitadas a bajo voltaje y, generalmente, a corriente continua [ CC ], la incapacidad de proporcionar iluminación constante a partir de una fuente de alimentación de CC o CA pulsante) y una menor temperatura máxima de funcionamiento y almacenamiento.
Los LED son transductores de electricidad que transforman la luz.
Historia
La electroluminiscencia de un diodo de estado sólido fue descubierta en 1906 por Henry Joseph Round de los Laboratorios Marconi y publicada en febrero de 1907 en Electrical World. Round observó que varios cristales de carborundo ( carburo de silicio ) emitían luz amarilla, verde claro, naranja o azul cuando se aplicaba un voltaje entre los polos. [ 9 ]
Los LED comercialmente viables solo estuvieron disponibles después de que los ingenieros de Texas Instruments patentaran la emisión eficiente de infrarrojo cercano de un diodo basado en GaAs en 1962. [ 11 ] Los LED comerciales eran extremadamente costosos y no tuvieron un uso práctico hasta que Monsanto y Hewlett-Packard los desarrollaron hasta el punto en que una unidad costaba menos de cinco centavos en la década de 1970. [ 12 ]
En un diodo emisor de luz, la recombinación de electrones y huecos de electrones en un semiconductor produce luz (infrarroja, visible o ultravioleta), un proceso denominado electroluminiscencia . La longitud de onda de la luz depende de la banda prohibida de energía de los semiconductores utilizados. Dado que estos materiales tienen un alto índice de refracción , se requieren características de diseño en los dispositivos, como recubrimientos ópticos especiales y la forma del chip, para emitir luz de manera eficiente. [ 15 ]
Mediante la selección de diferentes materiales semiconductores , se pueden fabricar LED monocromáticos que emiten luz en una banda estrecha de longitudes de onda, desde el infrarrojo cercano hasta el ultravioleta, pasando por el espectro visible. Los voltajes de funcionamiento requeridos para los LED aumentan a medida que las longitudes de onda emitidas se acortan (mayor energía, del rojo al azul), debido al incremento de su banda prohibida semiconductora.
Los LED azules tienen una región activa compuesta por uno o más pozos cuánticos de InGaN intercalados entre capas más gruesas de GaN, denominadas capas de revestimiento. Al variar la fracción relativa de In/Ga en los pozos cuánticos de InGaN, la emisión de luz puede, en teoría, variar desde el violeta hasta el ámbar.
Aluminium gallium nitride (AlGaN) of varying Al/Ga fraction can be used to manufacture the cladding and quantum well layers for ultraviolet LEDs, but these devices have not yet reached the level of efficiency and technological maturity of InGaN/GaN blue/green devices. If unalloyed GaN is used in this case to form the active quantum well layers, the device emits near-ultraviolet light with a peak wavelength centered around 365nm. Green LEDs manufactured from the InGaN/GaN system are far more efficient and brighter than green LEDs produced with non-nitride material systems, but practical devices still exhibit efficiency too low for high-brightness applications.[18]
With AlGaN and AlGaInN, even shorter wavelengths are achievable. Near-UV emitters at wavelengths around 360–395nm are already cheap and often encountered, for example, as black light lamp replacements for inspection of anti-counterfeiting UV watermarks in documents and bank notes, and for UV curing. Substantially more expensive, shorter-wavelength diodes are commercially available for wavelengths down to 240nm.[19] As the photosensitivity of microorganisms approximately matches the absorption spectrum of DNA, with a peak at about 260nm, UV LED emitting at 250–270nm are expected in prospective disinfection and sterilization devices. Recent research has shown that commercially available UVA LEDs (365nm) are already effective disinfection and sterilization devices.[20] UV-C wavelengths were obtained in laboratories using aluminium nitride (210nm),[21]boron nitride (215nm)[22][23] and diamond (235nm).[24]
White LEDs
Existen dos métodos principales para producir diodos emisores de luz blanca ( LED blancos ). Uno consiste en utilizar LED individuales que emiten tres colores primarios (rojo, verde y azul) y luego mezclarlos para formar luz blanca. El otro método, más común, consiste en utilizar un material fosforescente para convertir la luz monocromática de un LED azul o UV en luz blanca de amplio espectro, similar a una lámpara fluorescente . El fósforo amarillo está compuesto de cristales de YAG dopados con cerio , suspendidos en el encapsulado o recubiertos sobre el LED. Este fósforo YAG hace que los LED blancos parezcan amarillos cuando están apagados, y los espacios entre los cristales permiten el paso de algo de luz azul en los LED con conversión parcial de fósforo. Como alternativa, los LED blancos pueden utilizar otros fósforos, como el fluorosilicato de potasio (PFS) dopado con manganeso(IV) u otros fósforos diseñados. El PFS contribuye a la generación de luz roja y se utiliza junto con un fósforo Ce:YAG convencional.
En los LED con fósforo PFS, parte de la luz azul pasa a través de los fósforos; el fósforo Ce:YAG convierte la luz azul en luz verde y roja (amarilla), y el fósforo PFS convierte la luz azul en luz roja. El espectro de emisión de color o la temperatura de color de los LED blancos con fósforo y otros LED con fósforo se puede controlar cambiando la concentración de varios fósforos que forman una mezcla de fósforos utilizada en un encapsulado LED. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
La blancura de la luz producida está diseñada para adaptarse al ojo humano. Debido al metamerismo , es posible tener espectros muy diferentes que parezcan blancos. La apariencia de los objetos iluminados por esa luz puede variar según varíe el espectro. Este es el concepto de reproducción cromática, independiente de la temperatura de color. Un objeto naranja o cian podría aparecer con un color incorrecto y mucho más oscuro, ya que el LED o fósforo no emite la longitud de onda que refleja. Los LED con mejor reproducción cromática utilizan una mezcla de fósforos, lo que resulta en una menor eficiencia y una mejor reproducción del color.
Los primeros diodos emisores de luz blanca (LED) se ofrecieron a la venta en otoño de 1996. [ 29 ] Nichia fabricó algunos de los primeros LED blancos que se basaban en LED azules con fósforo Ce:YAG. [ 30 ] El Ce:YAG se cultiva a menudo utilizando el método Czochralski . [ 31 ]
Sistemas RGB
Curvas espectrales combinadas para LED semiconductores de estado sólido azules, amarillo-verdes y rojos de alto brillo. El ancho de banda espectral FWHM es de aproximadamente 24–27 nm para los tres colores.Un LED RGB que proyecta rojo, verde y azul sobre una superficie.
La mezcla de fuentes rojas, verdes y azules para producir luz blanca requiere circuitos electrónicos que controlen la combinación de colores. Dado que los LED tienen patrones de emisión ligeramente diferentes, el balance de color puede variar según el ángulo de visión, incluso si las fuentes RGB están en un solo paquete, por lo que los diodos RGB rara vez se utilizan para producir iluminación blanca. No obstante, este método tiene muchas aplicaciones debido a la flexibilidad de mezclar diferentes colores [ 32 ] y, en principio, este mecanismo también presenta una mayor eficiencia cuántica en la producción de luz blanca [ 33 ] .
Existen varios tipos de LED blancos multicolor: LED blancos dicromáticos , tricromáticos y tetracromáticos . Entre los factores clave que influyen en estos métodos se incluyen la estabilidad del color, la capacidad de reproducción cromática y la eficacia luminosa. A menudo, una mayor eficiencia implica una menor reproducción cromática, lo que supone una compensación entre la eficacia luminosa y la reproducción cromática. Por ejemplo, los LED blancos dicromáticos tienen la mejor eficacia luminosa (120 lm/W), pero la menor capacidad de reproducción cromática. Si bien los LED blancos tetracromáticos tienen una excelente capacidad de reproducción cromática, suelen tener una baja eficacia luminosa. Los LED blancos tricromáticos se sitúan en un punto intermedio, con una buena eficacia luminosa (>70 lm/W) y una capacidad de reproducción cromática aceptable. [ 34 ]
Uno de los retos es el desarrollo de LED verdes más eficientes. El máximo teórico para los LED verdes es de 683 lúmenes por vatio, pero a fecha de 2010, pocos LED verdes superaban siquiera los 100 lúmenes por vatio.Los LED azules y rojos se aproximan a sus límites teóricos.
Los LED multicolor ofrecen un medio para formar luz de diferentes colores. La mayoría de los colores perceptibles se pueden formar mezclando diferentes cantidades de tres colores primarios. Esto permite un control dinámico preciso del color. Su potencia de emisión decae exponencialmente con el aumento de la temperatura, [ 35 ] lo que resulta en un cambio sustancial en la estabilidad del color. Estos problemas dificultan su uso industrial. Los LED multicolor sin fósforo no pueden proporcionar una buena reproducción cromática porque cada LED es una fuente de banda estrecha. Los LED sin fósforo, si bien son una solución menos eficaz para la iluminación general, son la mejor solución para pantallas, ya sean retroiluminadas por LCD o basadas en píxeles LED directos.
Atenuar una fuente LED multicolor para que coincida con las características de las lámparas incandescentes es difícil debido a que las variaciones de fabricación, la antigüedad y la temperatura modifican el valor real del color emitido. Para emular la apariencia de la atenuación en las lámparas incandescentes, los LED pueden requerir un sistema de retroalimentación con un sensor de color para monitorear y controlar activamente el color. [ 36 ]
LEDs basados en fósforo
Espectro de un LED blanco que muestra la luz azul emitida directamente por el LED basado en GaN (pico en aproximadamente 465 nm) y la luz de banda más ancha desplazada por Stokes emitida por el fósforo Ce 3+ :YAG, que emite aproximadamente entre 500 y 700 nm.
Este método consiste en recubrir LEDs de un color (principalmente LEDs azules de InGaN ) con fósforos de diferentes colores para formar luz blanca; los LEDs resultantes se denominan LEDs blancos con fósforo o con fósforo convertido (pcLEDs). [ 37 ] Una fracción de la luz azul experimenta el desplazamiento de Stokes , que la transforma de longitudes de onda más cortas a más largas. Dependiendo del color original del LED, se utilizan fósforos de distintos colores. El uso de varias capas de fósforo de colores distintos amplía el espectro emitido, aumentando así el índice de reproducción cromática (IRC). [ 38 ]
Los LED basados en fósforo presentan pérdidas de eficiencia debido a la disipación de calor por el desplazamiento de Stokes y otros problemas relacionados con el fósforo. Su eficacia luminosa, en comparación con los LED convencionales, depende de la distribución espectral de la luz emitida y de la longitud de onda original del propio LED. Por ejemplo, la eficacia luminosa de un LED blanco típico basado en fósforo amarillo YAG oscila entre 3 y 5 veces la eficacia luminosa del LED azul original, debido a la mayor sensibilidad del ojo humano al amarillo que al azul (como se modela en la función de luminosidad ).
Debido a la simplicidad de su fabricación, el método del fósforo sigue siendo el más popular para producir LED blancos de alta intensidad. El diseño y la producción de una fuente de luz o luminaria que utiliza un emisor monocromático con conversión de fósforo es más sencillo y económico que un sistema RGB complejo , y la mayoría de los LED blancos de alta intensidad que se encuentran actualmente en el mercado se fabrican mediante conversión de luz con fósforo. [ 39 ]
LED blanco SMD de tres chips basado en fósforo de 1 vatio y 9 voltios
Entre los desafíos para mejorar la eficiencia de las fuentes de luz blanca basadas en LED se encuentra el desarrollo de fósforos más eficientes. A fecha de 2010, el fósforo amarillo más eficiente sigue siendo el fósforo YAG, con una pérdida por desplazamiento de Stokes inferior al 10 %. Las pérdidas atribuibles a las pérdidas ópticas internas debidas a la reabsorción en el chip LED y en el propio encapsulado del LED suelen representar entre un 10 % y un 30 % de la pérdida total. Actualmente, en el ámbito del desarrollo de LED de fósforo, se están realizando grandes esfuerzos para optimizar estos dispositivos y lograr una mayor emisión de luz y temperaturas de funcionamiento más elevadas. Por ejemplo, la eficiencia puede incrementarse adaptando un mejor diseño del encapsulado o utilizando un tipo de fósforo más adecuado. El proceso de recubrimiento conforme se utiliza frecuentemente para abordar el problema de la variación del espesor del fósforo.
Algunos LED blancos basados en fósforo encapsulan LED azules de InGaN dentro de una resina epoxi recubierta de fósforo. Alternativamente, el LED puede combinarse con un fósforo remoto, una pieza preformada de policarbonato recubierta con el material fosforescente. Los fósforos remotos proporcionan una luz más difusa, lo cual es deseable para muchas aplicaciones. Los diseños de fósforo remoto también son más tolerantes a las variaciones en el espectro de emisión del LED. Un material fosforescente amarillo común es el granate de itrio y aluminio dopado con cerio (Ce³⁺ : YAG). [ 40 ]
Los LED blancos también se pueden fabricar recubriendo LED de luz ultravioleta cercana (NUV) con una mezcla de fósforos de europio de alta eficiencia que emiten luz roja y azul, además de sulfuro de zinc dopado con cobre y aluminio (ZnS:Cu, Al) que emite luz verde. Este método es análogo al funcionamiento de las lámparas fluorescentes . Si bien este método es menos eficiente que los LED azules con fósforo YAG:Ce, debido a que el desplazamiento de Stokes es mayor, produce luz con mejores características espectrales, lo que permite una mejor reproducción del color. Debido a la mayor emisión radiativa de los LED ultravioleta en comparación con los azules, ambos métodos ofrecen un brillo similar. Una preocupación es que la luz UV pueda filtrarse de una fuente de luz defectuosa y causar daños a los ojos o la piel. [ 41 ]
Conjunto de LED blancos regulables en un proyector.
En el mercado existen LED RGBW que combinan unidades RGB con un LED blanco de fósforo. Esto conserva la gran capacidad de ajuste del color de los LED RGB, pero permite optimizar la reproducción cromática y la eficiencia cuando se selecciona un color cercano al blanco. [ 44 ]
Algunas unidades LED blancas de fósforo son de "blanco sintonizable", mezclando dos extremos de temperaturas de color (comúnmente 2700 K y 6500 K) para producir valores intermedios. Esta característica permite a los usuarios cambiar la iluminación para adaptarla al uso actual de una sala multifuncional. [ 45 ] Como se ilustra con una línea recta en el diagrama de cromaticidad, las mezclas simples de dos blancos tendrán un sesgo rosado , que se vuelve más pronunciado en el centro. Una pequeña cantidad de luz verde, proporcionada por otro LED, podría corregir el problema. [ 46 ] Algunos productos son RGBWW, es decir, RGBW con blanco sintonizable. [ 47 ]
Una última clase de LED blancos con luz mixta es la de atenuación a cálida. Se trata de bombillas LED blancas comunes de 2700 K con un pequeño LED rojo que se enciende al atenuar la bombilla. Al hacerlo, el color se vuelve más cálido, emulando una bombilla incandescente. [ 47 ]
LEDs blancos de seleniuro de zinc
Se han desarrollado LED blancos experimentales utilizando seleniuro de zinc (ZnSe) cultivado homoepitaxialmente sobre sustratos de ZnSe. Estos LED carecen de los fósforos amarillos presentes en los LED blancos convencionales. [ 48 ] En los LED de ZnSe, la región activa emite luz azul, mientras que el sustrato conductor de ZnSe emite luz amarilla, lo que resulta en una salida de luz blanca. Los investigadores sugieren que estos LED ofrecen voltajes de funcionamiento más bajos y un rango de temperaturas de color más amplio que los LED blancos convencionales. [ 49 ]
Las ventajas potenciales de los OLED incluyen pantallas delgadas y de bajo costo con un bajo voltaje de funcionamiento, amplio ángulo de visión y alto contraste y gama de colores . [ 52 ] Los LED de polímero tienen el beneficio adicional de pantallas imprimibles y flexibles . [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] Los OLED se han utilizado para fabricar pantallas visuales para dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos celulares, cámaras digitales, iluminación y televisores. [ 51 ] [ 52 ]
Tipos
Los LED se presentan en una gran variedad de formas y tamaños. El color de la lente de plástico suele coincidir con el color de la luz emitida, aunque no siempre. Por ejemplo, el plástico morado se usa con frecuencia en los LED infrarrojos, y la mayoría de los dispositivos azules tienen carcasas incoloras. Los LED modernos de alta potencia, como los que se utilizan para iluminación y retroiluminación, suelen venir en encapsulados de tecnología de montaje superficial (SMT) (no se muestran).Una variedad de LEDs de orificio pasante difusos de 5 mm diferentes
Rojo, 650–625 nm
Naranja, 600–610 nm
Amarillo, 587–591 nm
Verde, 570–575 nm
Azul, 465–467 nm
Púrpura, 395–400 nm
Los LED se fabrican en diferentes encapsulados para distintas aplicaciones. Uno o varios LED pueden integrarse en un dispositivo miniatura para su uso como indicador o luz piloto. Un conjunto de LED puede incluir circuitos de control dentro del mismo encapsulado, que pueden variar desde una simple resistencia , un control de parpadeo o cambio de color, hasta un controlador direccionable para dispositivos RGB. Los dispositivos de mayor potencia que emiten luz blanca se montan en disipadores de calor y se utilizan para iluminación. Las pantallas alfanuméricas en formato de matriz de puntos o de barras están ampliamente disponibles. Encapsulados especiales permiten la conexión de LED a fibras ópticas para enlaces de comunicación de datos de alta velocidad.
Miniatura
Imagen de LED miniatura de montaje superficial en los tamaños más comunes. Pueden ser mucho más pequeños que un LED tradicional de 5 mm, como el que se muestra en la esquina superior izquierda.Paquete de LED miniatura de montaje superficial muy pequeño (1,6 × 1,6 × 0,35 mm) de color rojo, verde y azul con detalles de unión de hilo de oro.
Se trata principalmente de LED de un solo chip utilizados como indicadores, y vienen en varios tamaños, desde 1,8 mm hasta 10 mm, en encapsulados de orificio pasante y de montaje superficial . [ 56 ] Las corrientes típicas oscilan entre aproximadamente 1 mA y más de 20 mA. Los LED se pueden soldar a una tira de PCB flexible para formar una cinta LED, muy utilizada para decoración.
Las formas de encapsulado más comunes incluyen redondas, con la parte superior abovedada o plana; rectangulares con la parte superior plana (como las que se usan en las pantallas de gráficos de barras); y triangulares o cuadradas con la parte superior plana. La encapsulación también puede ser transparente o tintada para mejorar el contraste y el ángulo de visión. Los dispositivos infrarrojos pueden tener un tinte negro para bloquear la luz visible mientras dejan pasar la radiación infrarroja, como el Osram SFH 4546. [ 57 ]
Los LED de 5 V y 12 V son LED miniatura comunes que tienen una resistencia en serie para conexión directa a una fuente de alimentación de 5 V o 12 V. [ 58 ]
Alta potencia
Diodos emisores de luz de alta potencia acoplados a una base de estrella LED ( Luxeon , Lumileds )
Los LED de alta potencia (HP-LED) o los LED de alto rendimiento (HO-LED) pueden funcionar con corrientes de cientos de mA a más de un amperio, en comparación con las decenas de mA de otros LED. Algunos pueden emitir más de mil lúmenes. [ 59 ] [ 60 ] Se han alcanzado densidades de potencia de LED de hasta 300 W/cm 2. Dado que el sobrecalentamiento es destructivo, los HP-LED deben montarse en un disipador de calor para permitir la disipación del calor. Si el calor de un HP-LED no se elimina, el dispositivo falla en segundos. Un HP-LED a menudo puede reemplazar una bombilla incandescente en una linterna , o colocarse en una matriz para formar una lámpara LED potente .
Algunos LED de alta potencia (HP-LED) de esta categoría son la serie Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon y Cree X-lamp. A septiembre de 2009, algunos HP-LED fabricados por Cree superaban los 105 lm/W. [ 61 ]
Ejemplos de la ley de Haitz —que predice un aumento exponencial en la salida de luz y la eficacia de los LED con el tiempo— son el LED de la serie CREE XP-G, que alcanzó 105 lm/W en 2009 [ 61 ] y la serie Nichia 19 con una eficacia típica de 140 lm/W, lanzada en 2010. [ 62 ]
accionado por corriente alterna
Los LED desarrollados por Seoul Semiconductor pueden funcionar con corriente alterna sin convertidor de corriente continua. En cada semiciclo, una parte del LED emite luz y otra permanece apagada, y este proceso se invierte durante el siguiente semiciclo. La eficiencia de este tipo de LED de alta potencia es típicamente de 40 lm/W. [ 63 ] Un gran número de elementos LED en serie pueden funcionar directamente con la tensión de línea. En 2009, Seoul Semiconductor lanzó un LED de alta tensión continua, denominado «Acrich MJT», capaz de alimentarse con corriente alterna mediante un circuito de control sencillo. La baja disipación de potencia de estos LED les confiere mayor flexibilidad que el diseño original de LED de corriente alterna. [ 64 ]
Las tiras de luces LED se fabricaron por primera vez a principios de la década de 2000. Desde entonces, el aumento de la eficacia luminosa y los SMD de mayor potencia han permitido su uso en aplicaciones como iluminación de trabajo de alto brillo, reemplazo de luminarias fluorescentes y halógenas, aplicaciones de iluminación indirecta, inspección ultravioleta durante procesos de fabricación, diseño de escenografía y vestuario , y cultivo de plantas .
Existen muchos tipos de tiras LED, cada una con diferentes nombres en clave y tipos de LED. Cada una puede variar en potencia de entrada, espaciado de los LED, capacidad de color y más.
Específico de la aplicación
LED SMD RGBImagen compuesta de una placa identificativa de solapa con matriz de LED de 11 × 44, que utiliza LED SMD tipo 1608/0603. Arriba: Un poco más de la mitad de la pantalla de 21 × 86 mm . Centro: Primer plano de los LED con luz ambiental. Abajo: Los LED con su propia luz roja.
Brillante
Los LED intermitentes se utilizan como indicadores luminosos sin necesidad de componentes electrónicos externos. Se asemejan a los LED estándar, pero incorporan un regulador de voltaje y un circuito multivibrador que provoca el parpadeo con una periodicidad típica de un segundo. En los LED con lente difusora, este circuito se aprecia como un pequeño punto negro. La mayoría de los LED intermitentes emiten luz de un solo color, pero los dispositivos más sofisticados pueden alternar entre varios colores e incluso realizar transiciones graduales mediante la mezcla de colores RGB. Los LED SMD intermitentes, disponibles en formatos 0805 y otros, se comercializan desde principios de 2019.
Parpadeo
Luz infrarroja del chip LED IR vista por una cámara digitalLos circuitos electrónicos simples integrados en el encapsulado del LED existen desde al menos 2011 y producen un patrón de intensidad LED aleatorio que recuerda a una vela parpadeante . [ 65 ] La ingeniería inversa en 2024 sugirió que algunos LED parpadeantes con modos automáticos de suspensión y activación podrían estar utilizando un microcontrolador integrado de 8 bits para dicha funcionalidad. [ 66 ] A veces, un efecto de parpadeo puede ocurrir debido a una falla eléctrica. [ 67 ]
Bicolor
Los LED bicolor contienen dos emisores LED diferentes en una misma carcasa. Existen dos tipos. Un tipo consta de dos chips conectados a dos terminales antiparalelos . La corriente que fluye en una dirección emite un color, y la que fluye en la dirección opuesta emite el otro. El otro tipo consta de dos chips con terminales separados para cada uno y un terminal común para el ánodo o cátodo, de modo que se pueden controlar de forma independiente. La combinación bicolor más común es rojo/verde tradicional . Otras combinaciones incluyen ámbar/verde tradicional, rojo/verde puro, rojo/azul y azul/verde puro.
RGB tricolor
Los LED tricolor contienen tres emisores LED diferentes en una sola carcasa. Cada emisor está conectado a un cable independiente para que puedan controlarse por separado. Lo típico es una configuración de cuatro cables con un cable común (ánodo o cátodo) y un cable adicional para cada color. Otros tienen solo dos cables (positivo y negativo) y un controlador electrónico integrado. Los LED RGB constan de un LED rojo, uno verde y uno azul. [ 68 ] Al ajustar cada uno de los tres de forma independiente, los LED RGB son capaces de producir una amplia gama de colores. A diferencia de los LED de color dedicado, estos no producen longitudes de onda puras. Es posible que los módulos no estén optimizados para una mezcla de colores uniforme.
Decorativo multicolor
Los LED decorativos multicolor incorporan varios emisores de diferentes colores alimentados por solo dos cables de salida. Los colores se cambian internamente variando la tensión de alimentación.
Alfanumérico
Los LED alfanuméricos están disponibles en formato de siete segmentos , estrella y matriz de puntos . Las pantallas de siete segmentos muestran todos los números y un conjunto limitado de letras. Las pantallas estrella pueden mostrar todas las letras. Las pantallas de matriz de puntos suelen usar 5 × 7 píxeles por carácter. Las pantallas LED de siete segmentos se usaron ampliamente en las décadas de 1970 y 1980, pero el creciente uso de pantallas de cristal líquido , con su menor consumo de energía y mayor flexibilidad de visualización, ha reducido la popularidad de las pantallas LED numéricas y alfanuméricas.
RGB digital
Los LED RGB digitales direccionables contienen su propia electrónica de control inteligente. Además de la alimentación y la conexión a tierra, proporcionan conexiones para la entrada y salida de datos, el reloj y, en ocasiones, una señal estroboscópica. Estos se conectan en cadena , lo que permite controlar fácilmente los LED individuales de una tira de LED larga mediante un microcontrolador. Los datos enviados al primer LED de la cadena pueden controlar el brillo y el color de cada LED de forma independiente. Se utilizan donde se requiere una combinación de máximo control y mínima electrónica visible, como en guirnaldas navideñas y matrices de LED. Algunos incluso tienen frecuencias de actualización en el rango de kHz, lo que permite su uso en aplicaciones de vídeo básicas. Estos dispositivos se conocen por su número de pieza ( WS2812 es común) o por una marca como NeoPixel .
Filamento
Un filamento LED consta de múltiples chips LED conectados en serie sobre un sustrato longitudinal común que forma una varilla delgada que recuerda a un filamento incandescente tradicional. [ 69 ] Estos se están utilizando como una alternativa decorativa de bajo costo para las bombillas tradicionales que se están eliminando gradualmente en muchos países. Los filamentos utilizan un voltaje bastante alto, lo que les permite funcionar eficientemente con voltajes de red. A menudo se emplea un rectificador simple y limitación de corriente capacitiva para crear un reemplazo de bajo costo para una bombilla tradicional sin la complejidad del convertidor de bajo voltaje y alta corriente que necesitan los LED de un solo chip. [ 70 ] Por lo general, se empaquetan en bombillas similares a las lámparas que fueron diseñadas para reemplazar, y se llenan con gas inerte a una presión ligeramente inferior a la ambiente para disipar el calor de manera eficiente y prevenir la corrosión.
Matrices de chips en placa
Los LED de montaje superficial se fabrican frecuentemente en matrices de chips sobre placa (COB), lo que permite una mejor disipación del calor que con un solo LED de salida luminosa comparable. [ 71 ] Los LED se pueden disponer alrededor de un cilindro y se denominan "luces de mazorca de maíz" debido a las filas de LED amarillos. [ 72 ]
Consideraciones para su uso
Eficiencia: Los LED emiten más lúmenes por vatio que las bombillas incandescentes. [ 73 ] La eficiencia de las luminarias LED no se ve afectada por la forma y el tamaño, a diferencia de las bombillas o tubos fluorescentes.
Tamaño: Los LED pueden ser muy pequeños (menores de 2 mm 2 [ 74 ] ) y se pueden fijar fácilmente a placas de circuitos impresos.
Fuentes de energía
Circuito LED simple con resistencia para limitar la corriente.
La corriente en un LED u otros diodos aumenta exponencialmente con la tensión aplicada (véase la ecuación del diodo de Shockley ), por lo que un pequeño cambio en la tensión puede provocar un gran cambio en la corriente. La corriente que atraviesa el LED debe regularse mediante un circuito externo, como una fuente de corriente constante, para evitar daños. [ 75 ]
Los LED son sensibles al voltaje. Deben recibir un voltaje superior a su voltaje umbral y una corriente inferior a su corriente nominal . La corriente y la vida útil varían considerablemente con una pequeña variación en el voltaje aplicado. Por lo tanto, requieren una fuente de alimentación regulada (generalmente solo una resistencia en serie para los LED indicadores). [ 76 ]
Disminución de la eficiencia : La eficiencia de los LED disminuye a medida que aumenta la corriente eléctrica . El calentamiento también aumenta con corrientes más altas, lo que compromete la vida útil del LED. Estos efectos imponen límites prácticos a la corriente que atraviesa un LED en aplicaciones de alta potencia. [ 77 ]
Polaridad eléctrica
A diferencia de una lámpara incandescente tradicional, un LED se enciende solo cuando se aplica voltaje en la dirección directa del diodo. No circula corriente ni se emite luz si se aplica voltaje en la dirección inversa. Si el voltaje inverso supera el voltaje de ruptura , que suele ser de unos cinco voltios, circula una corriente elevada y el LED se daña. Si la corriente inversa se limita lo suficiente para evitar daños, el LED de conducción inversa funciona como un útil diodo de ruido .
Por definición, la banda prohibida de energía de cualquier diodo es mayor en polarización inversa que en polarización directa. Dado que la energía de la banda prohibida determina la longitud de onda de la luz emitida, el color no puede ser el mismo en polarización inversa. La tensión de ruptura inversa es lo suficientemente alta como para que la longitud de onda emitida no sea lo suficientemente similar como para seguir siendo visible. Si bien existen encapsulados de doble LED que contienen un LED de diferente color en cada dirección, no se espera que un solo LED pueda emitir luz visible en polarización inversa.
Se desconoce si existe algún diodo Zener que emita luz únicamente en polarización inversa. Este tipo de LED, en particular, conduciría la luz al conectarse al revés.
Apariencia
Color: Los LED pueden emitir luz del color deseado sin necesidad de filtros de color, a diferencia de los métodos de iluminación tradicionales. Esto resulta más eficiente y puede reducir los costos iniciales.
Luz fría: A diferencia de la mayoría de las fuentes de luz, los LED emiten muy poco calor en forma de infrarrojos, que pueden dañar objetos o tejidos delicados. La energía desperdiciada se disipa en forma de calor a través de la base del LED.
Reproducción del color: La mayoría de los LED blancos fríos tienen espectros que difieren significativamente de un radiador de cuerpo negro como el sol o una luz incandescente. El pico a 460 nm y el valle a 500 nm pueden hacer que el color de los objetos aparezca diferente bajo la iluminación de un LED blanco frío que la luz solar o las fuentes incandescentes, debido al metamerismo , [ 78 ] las superficies rojas se reproducen particularmente mal por los LED blancos fríos típicos basados en fósforo. Lo mismo sucede con las superficies verdes. La calidad de la reproducción del color de un LED se mide mediante el Índice de Reproducción Cromática (IRC) .
Atenuación: Los LED se pueden atenuar mediante modulación por ancho de pulso o reduciendo la corriente directa. [ 79 ] Esta modulación por ancho de pulso es la razón por la que las luces LED, en particular los faros de los automóviles, cuando se ven en una cámara o por algunas personas, parecen parpadear o destellar. Este es un tipo de efecto estroboscópico .
Propiedades de luz
Tiempo de encendido: Los LED se encienden con extrema rapidez. Un LED indicador rojo típico alcanza su brillo máximo en menos de un microsegundo . [ 80 ] Los LED utilizados en dispositivos de comunicación pueden tener tiempos de respuesta aún más rápidos.
Enfoque: El encapsulado sólido del LED puede diseñarse para enfocar su luz. Las fuentes incandescentes y fluorescentes suelen requerir un reflector externo para captar la luz y dirigirla de forma útil. Para encapsulados LED de mayor tamaño, se suelen utilizar lentes de reflexión interna total (TIR) con el mismo fin. Cuando se necesitan grandes cantidades de luz, se suelen emplear múltiples fuentes de luz, como chips LED, que son difíciles de enfocar o colimar sobre el mismo objetivo.
Fuente de luz de área: Los LED individuales no se aproximan a una fuente de luz puntual que proporcione una distribución de luz esférica, sino más bien una distribución lambertiana . Por lo tanto, los LED son difíciles de aplicar en usos que requieren un campo de luz esférico. Se pueden manipular diferentes campos de luz mediante la aplicación de diferentes ópticas o "lentes". Los LED no pueden proporcionar una divergencia inferior a unos pocos grados. [ 81 ]
Fiabilidad
Resistencia a los golpes: Los LED, al ser componentes de estado sólido, son difíciles de dañar con golpes externos, a diferencia de las bombillas fluorescentes e incandescentes, que son frágiles. [ 82 ]
Descontrol térmico: Las cadenas paralelas de LED no comparten la corriente de manera uniforme debido a las tolerancias de fabricación en su tensión directa. Alimentar dos o más cadenas con una sola fuente de corriente puede provocar fallos en los LED a medida que se calientan. Si no es posible clasificar la tensión directa, se requiere un circuito para asegurar una distribución uniforme de la corriente entre las cadenas paralelas. [ 83 ]
Fallo lento: Los LED fallan principalmente por atenuación con el tiempo, en lugar del fallo abrupto de las bombillas incandescentes. [ 84 ]
Vida útil: Los LED pueden tener una vida útil relativamente larga. Un informe estima entre 35 000 y 50 000 horas de vida útil para los LED blancos, aunque el tiempo hasta la falla total puede ser menor o mayor. [ 85 ] Los tubos fluorescentes suelen tener una vida útil de entre 10 000 y 25 000 horas, dependiendo en parte de las condiciones de uso, y las bombillas incandescentes de entre 1 000 y 2 000 horas. Varias demostraciones del Departamento de Energía de EE. UU . han demostrado que la reducción de los costos de mantenimiento gracias a esta mayor vida útil, en lugar del ahorro de energía, es el factor principal para determinar el período de recuperación de la inversión de un producto LED. [ 86 ]
Ciclos de encendido y apagado: Los LED son ideales para usos sujetos a ciclos frecuentes de encendido y apagado, a diferencia de las lámparas incandescentes y fluorescentes, que fallan más rápido cuando se encienden y apagan con frecuencia, o las lámparas de descarga de alta intensidad (lámparas HID), que requieren mucho tiempo para alcanzar su máxima potencia y enfriarse antes de poder volver a encenderse si se reinician.
Dependencia de la temperatura: El rendimiento de un LED depende en gran medida de la temperatura ambiente de su entorno operativo, es decir, de sus propiedades de gestión térmica. Sobrecalentar un LED a altas temperaturas ambiente puede provocar el sobrecalentamiento del encapsulado, lo que eventualmente causará una falla en el dispositivo. Se necesita un disipador de calor adecuado para garantizar una larga vida útil. Esto es especialmente importante en aplicaciones automotrices, médicas y militares, donde los dispositivos deben operar en un amplio rango de temperaturas y requieren bajas tasas de falla.
Fabricación
La fabricación de LED implica múltiples pasos, incluyendo epitaxia, procesamiento de chips, separación de chips y empaquetado. [ 87 ]
En un proceso típico de fabricación de LED, el encapsulado se realiza después del sondeo, el corte, la transferencia del chip de la oblea al encapsulado y la unión de cables o el montaje flip chip, [ 88 ] posiblemente utilizando óxido de indio y estaño, un conductor eléctrico transparente. En este caso, los cables de unión se fijan a la película de ITO que se ha depositado en los LED.
El circuito en placa con chip invertido (COB) es una técnica que se puede utilizar para fabricar LED. [ 89 ]
Colores y materiales
Los LED convencionales están fabricados con diversos materiales semiconductores inorgánicos . La siguiente tabla muestra los colores disponibles con su rango de longitud de onda, caída de voltaje y material:
Cultivo en interiores, incluido el cannabis. [ 100 ]
La aplicación de LED en horticultura ha revolucionado el cultivo de plantas al proporcionar soluciones de iluminación personalizables y de bajo consumo energético que optimizan el crecimiento y desarrollo de las plantas. [ 101 ] Los LED ofrecen un control preciso sobre los espectros de luz, la intensidad y los fotoperiodos, lo que permite a los cultivadores adaptar las condiciones de iluminación a las necesidades específicas de diferentes especies de plantas y etapas de crecimiento. Esta tecnología mejora la fotosíntesis, aumenta el rendimiento de los cultivos y reduce los costos de energía en comparación con los sistemas de iluminación tradicionales. Además, los LED generan menos calor, lo que permite una colocación más cercana a las plantas sin riesgo de daños térmicos, y contribuyen a prácticas agrícolas sostenibles al reducir la huella de carbono y extender las temporadas de cultivo en entornos controlados. [ 102 ] El espectro de luz afecta el crecimiento, el perfil de metabolitos y la resistencia contra fitopatógenos fúngicos de plántulas de Solanum lycopersicum . [ 103 ] Los LED también se pueden utilizar en la micropropagación . [ 104 ]
Indicadores y señales
El bajo consumo energético , el mínimo mantenimiento y el reducido tamaño de los LED han propiciado su uso como indicadores de estado y pantallas en una gran variedad de equipos e instalaciones. Las pantallas LED de gran formato se utilizan en estadios, pantallas decorativas dinámicas y paneles de mensajes dinámicos en autopistas. Las pantallas de mensajes, finas y ligeras, se emplean en aeropuertos y estaciones de tren, así como para indicar el destino en trenes, autobuses, tranvías y transbordadores.
Debido a su larga vida útil, tiempos de conmutación rápidos y visibilidad a plena luz del día gracias a su alta potencia y enfoque, los LED se han utilizado en luces de freno y señales de giro de automóviles. El uso en frenos mejora la seguridad, debido a una gran reducción en el tiempo necesario para encenderse completamente, o tiempo de subida más rápido, aproximadamente 200 milisegundos más rápido [ 105 ] que una bombilla incandescente. Esto da a los conductores que vienen detrás más tiempo para reaccionar. En un circuito de doble intensidad (luces de posición traseras y frenos) si los LED no se pulsan a una frecuencia suficientemente rápida, pueden crear una matriz fantasma , donde aparecen imágenes fantasma del LED si los ojos recorren rápidamente la matriz. Los faros LED blancos están empezando a aparecer. El uso de LED tiene ventajas de estilo porque los LED pueden formar luces mucho más delgadas que las lámparas incandescentes con reflectores parabólicos .
Debido a su precio relativamente bajo, los LED de baja potencia también se utilizan en muchos usos temporales, como barras luminosas y objetos arrojadizos. Los artistas también han utilizado LED para crear arte con LED .
Iluminación
Con el desarrollo de LED de alta eficiencia y potencia, se ha hecho posible su uso en iluminación. Para fomentar la transición a lámparas LED y otras soluciones de iluminación de alta eficiencia, en 2008 el Departamento de Energía de Estados Unidos creó el concurso L Prize . La bombilla LED de Philips Lighting North America ganó la primera edición el 3 de agosto de 2011, tras completar con éxito 18 meses de intensas pruebas de campo, laboratorio y producto. [ 106 ]
Se necesita una iluminación eficiente para una arquitectura sostenible . En 2011, algunas bombillas LED proporcionaban hasta 150 lm/W, e incluso los modelos económicos de gama baja superaban los 50 lm/W, de modo que una bombilla LED de 6 vatios podía lograr los mismos resultados que una bombilla incandescente estándar de 40 vatios. La menor emisión de calor de las bombillas LED también reduce la demanda de los sistemas de aire acondicionado . En todo el mundo, las bombillas LED se están adoptando rápidamente para sustituir fuentes menos eficientes como las lámparas incandescentes y las bombillas fluorescentes compactas (CFL) , y reducir el consumo de energía eléctrica y sus emisiones asociadas. Las bombillas LED alimentadas por energía solar se utilizan en el alumbrado público y en la iluminación arquitectónica .
La robustez mecánica y la larga vida útil se aprovechan en la iluminación automotriz de automóviles, motocicletas y bicicletas . Las farolas LED se utilizan en postes y aparcamientos. En 2007, el pueblo italiano de Torraca fue el primero en convertir su alumbrado público a LED. [ 107 ]
La iluminación de cabina en los aviones Airbus y Boeing más recientes utiliza tecnología LED. Los LED también se emplean en la iluminación de aeropuertos y helipuertos. Actualmente, las luminarias LED en los aeropuertos incluyen luces de pista de intensidad media, luces de la línea central de la pista, luces de la línea central y los bordes de las calles de rodaje, señales de guía e iluminación de obstáculos.
Los LED también se utilizan como fuente de luz para proyectores DLP y para retroiluminar televisores LCD más modernos (conocidos como televisores LED ), monitores de ordenador (incluidos portátiles ) y pantallas LCD de dispositivos portátiles, sustituyendo a las antiguas pantallas LCD retroiluminadas con CCFL , aunque han sido reemplazadas por las pantallas OLED . Los LED RGB aumentan la gama de colores hasta en un 45 %. Las pantallas para televisores y ordenadores pueden fabricarse más delgadas utilizando LED para la retroiluminación. [ 108 ]
Los LED son pequeños, duraderos y consumen poca energía, por lo que se utilizan en dispositivos portátiles como linternas . Las luces estroboscópicas LED o los flashes de las cámaras funcionan con un voltaje bajo y seguro, en lugar de los más de 250 voltios que suelen tener las lámparas de xenón . Esto resulta especialmente útil en las cámaras de los teléfonos móviles , donde el espacio es limitado y los voluminosos circuitos elevadores de voltaje son indeseables.
LED para mineros, para aumentar la visibilidad dentro de las minas.El puente Vincent Thomas de Los Ángeles se iluminó con luces LED azules.
Los LED se utilizan en operaciones mineras , como lámparas de casco para proporcionar luz a los mineros. Se han realizado investigaciones para mejorar los LED para minería, con el fin de reducir el deslumbramiento y aumentar la iluminación, disminuyendo así el riesgo de lesiones para los mineros. [ 109 ]
Los LED se utilizan cada vez más en aplicaciones médicas y educativas, por ejemplo, para mejorar el estado de ánimo. [ 110 ] La NASA incluso ha patrocinado investigaciones sobre el uso de LED para promover la salud de los astronautas. [ 111 ]
Comunicación de datos y otras señales
La luz puede utilizarse para transmitir datos y señales analógicas. Por ejemplo, la iluminación con LED blancos puede emplearse en sistemas que ayudan a las personas a orientarse en espacios cerrados mientras buscan habitaciones u objetos necesarios. [ 112 ]
Los dispositivos de asistencia auditiva en muchos teatros y espacios similares utilizan conjuntos de LED infrarrojos para enviar sonido a los receptores de los oyentes. Los diodos emisores de luz (así como los láseres semiconductores) se utilizan para transmitir datos a través de diversos tipos de cable de fibra óptica , desde audio digital mediante cables TOSLINK hasta los enlaces de fibra de muy alto ancho de banda que conforman la infraestructura principal de Internet. Durante un tiempo, los ordenadores solían estar equipados con interfaces IrDA , que les permitían enviar y recibir datos a máquinas cercanas mediante infrarrojos.
Debido a que los LED pueden encenderse y apagarse millones de veces por segundo, se puede lograr un ancho de banda de datos muy alto. [ 113 ] Por esa razón, la comunicación por luz visible (VLC) se ha propuesto como una alternativa al ancho de banda de radio cada vez más competitivo. [ 114 ] La VLC opera en la parte visible del espectro electromagnético, por lo que los datos se pueden transmitir sin ocupar las frecuencias de las comunicaciones de radio.
sistemas de visión artificial
Los sistemas de visión artificial suelen requerir una iluminación brillante y homogénea para que las características de interés sean más fáciles de procesar. A menudo se utilizan LED.
Los escáneres de códigos de barras son el ejemplo más común de aplicaciones de visión artificial, y muchos de ellos utilizan LED rojos en lugar de láseres. Los ratones ópticos de ordenador utilizan LED como fuente de luz para la cámara en miniatura que llevan dentro.
Los LED son útiles para la visión artificial porque proporcionan una fuente de luz compacta y fiable. Las lámparas LED se pueden encender y apagar según las necesidades del sistema de visión, y la forma del haz producido se puede adaptar a los requisitos del sistema.
La fluorescencia inducida por UV es una de las técnicas más robustas utilizadas para la detección rápida en tiempo real de aerosoles biológicos. [ 117 ] Los primeros sensores UV eran láseres que carecían de practicidad para su uso en campo. Para solucionar esto, DARPA incorporó la tecnología SUVOS para crear un dispositivo de bajo costo, pequeño, ligero y de bajo consumo. El tiempo de respuesta del detector TAC-BIO fue de un minuto desde que detectó un agente biológico. También se demostró que el detector podía funcionar sin supervisión en interiores y exteriores durante semanas. [ 117 ]
Las partículas biológicas en aerosol emiten fluorescencia y dispersan la luz bajo un haz de luz ultravioleta. La fluorescencia observada depende de la longitud de onda aplicada y de los fluoróforos bioquímicos presentes en el agente biológico. La fluorescencia inducida por UV ofrece una forma rápida, precisa, eficiente y logísticamente práctica para la detección de agentes biológicos. Esto se debe a que el uso de la fluorescencia UV no requiere reactivos, es decir, es un proceso que no necesita la adición de sustancias químicas para producir una reacción, no requiere consumibles ni genera subproductos químicos. [ 117 ]
Además, TAC-BIO puede discriminar de forma fiable entre aerosoles peligrosos y no peligrosos. Se afirmó que era lo suficientemente sensible como para detectar bajas concentraciones, pero no tanto como para causar falsos positivos. El algoritmo de conteo de partículas utilizado en el dispositivo convertía los datos brutos en información contando los pulsos de fotones por unidad de tiempo de los detectores de fluorescencia y dispersión, y comparando el valor con un umbral establecido. [ 118 ]
El TAC-BIO original se presentó en 2010, mientras que la segunda generación, TAC-BIO GEN II, se diseñó en 2015 para ser más rentable, ya que se utilizaron piezas de plástico. Su diseño pequeño y ligero permite montarlo en vehículos, robots y vehículos aéreos no tripulados. El dispositivo de segunda generación también podría utilizarse como detector ambiental para monitorizar la calidad del aire en hospitales, aviones o incluso en hogares para detectar hongos y moho. [ 119 ] [ 120 ]
Otras aplicaciones
Traje LED para artistas escénicosPapel pintado LED de MeystyleUna gran pantalla LED detrás de un disc jockeyPantalla de siete segmentos que puede mostrar cuatro dígitos y puntos.Fuente de luz de panel LED utilizada en un experimento inicial sobre el crecimiento de la patata durante la misión STS-73 del transbordador espacial para investigar el potencial de cultivar alimentos en futuras misiones de larga duración.
Muchos sistemas de sensores utilizan la luz como fuente de señal. Los LED suelen ser ideales como fuente de luz debido a los requisitos de los sensores. La barra de sensores de la Nintendo Wii utiliza LED infrarrojos. Los oxímetros de pulso los utilizan para medir la saturación de oxígeno . Algunos escáneres planos utilizan matrices de LED RGB en lugar de la típica lámpara fluorescente de cátodo frío como fuente de luz. El control independiente de tres colores de iluminación permite que el escáner se calibre para lograr un balance de color más preciso, sin necesidad de calentamiento. Además, sus sensores solo necesitan ser monocromáticos, ya que en cada momento la página escaneada está iluminada por un solo color de luz.
Dado que los LED también pueden usarse como fotodiodos, pueden emplearse tanto para la emisión como para la detección de luz. Esto podría utilizarse, por ejemplo, en una pantalla táctil que registre la luz reflejada por un dedo o un lápiz óptico . [ 121 ] Muchos materiales y sistemas biológicos son sensibles a la luz o dependen de ella. Las lámparas de cultivo utilizan LED para aumentar la fotosíntesis en las plantas , [ 122 ] y las bacterias y los virus pueden eliminarse del agua y otras sustancias mediante LED UV para la esterilización . [ 20 ] Los LED de ciertas longitudes de onda también se han utilizado para el tratamiento de fototerapia de la ictericia neonatal y el acné . [ 123 ]
Los LED también se han utilizado como referencia de voltaje de calidad media en circuitos electrónicos. La caída de voltaje directa (aproximadamente 1,7 V para un LED rojo o 1,2 V para uno infrarrojo) puede utilizarse en lugar de un diodo Zener en reguladores de bajo voltaje. Los LED rojos presentan la curva I/V más plana por encima del punto de inflexión. Los LED basados en nitruro tienen una curva I/V bastante pronunciada y no son útiles para este propósito. Si bien el voltaje directo de un LED depende mucho más de la corriente que el de un diodo Zener, los diodos Zener con voltajes de ruptura inferiores a 3 V no están ampliamente disponibles.
La progresiva miniaturización de la tecnología de iluminación de bajo voltaje, como los LED y los OLED, que permite su incorporación en materiales de poco espesor, ha fomentado la experimentación en la combinación de fuentes de luz y superficies de revestimiento de paredes para interiores en forma de papel pintado LED .
Investigación y desarrollo
Desafíos clave
Los LED requieren una eficiencia optimizada que depende de mejoras continuas como los materiales fosforescentes y los puntos cuánticos . [ 125 ]
El proceso de conversión descendente (el método mediante el cual los materiales convierten fotones más energéticos en colores diferentes y menos energéticos) también necesita mejoras. Por ejemplo, los fósforos rojos que se utilizan actualmente son sensibles a la temperatura y deben mejorarse en este aspecto para que no cambien de color ni disminuya su eficiencia con la temperatura. Los fósforos rojos también podrían beneficiarse de un ancho espectral más estrecho para emitir más lúmenes y ser más eficientes en la conversión de fotones. [ 126 ]
Además, aún queda trabajo por hacer en los ámbitos de la caída de eficiencia actual, el cambio de color, la fiabilidad del sistema, la distribución de la luz, la atenuación, la gestión térmica y el rendimiento de la fuente de alimentación. [ 125 ]
Las primeras sospechas apuntaban a que la caída de eficiencia de los LED se debía a temperaturas elevadas. Los científicos demostraron que la temperatura no era la causa principal de dicha caída. [ 127 ] En 2007, se identificó el mecanismo que causaba la caída de eficiencia como la recombinación Auger , que se interpretó como una reacción mixta. [ 77 ] Un estudio de 2013 identificó de forma concluyente la recombinación Auger como la causa. [ 128 ]
Tecnología potencial
Una nueva familia de LED se basa en semiconductores llamados perovskitas . En 2018, menos de cuatro años después de su descubrimiento, la capacidad de los LED de perovskita (PLED) para producir luz a partir de electrones ya rivalizaba con la de los OLED de mejor rendimiento . [ 129 ] Tienen un potencial de rentabilidad, ya que se pueden procesar a partir de una solución, un método de bajo costo y baja tecnología, lo que podría permitir la fabricación de dispositivos basados en perovskita con grandes áreas a un costo extremadamente bajo. Su eficiencia es superior al eliminar las pérdidas no radiativas, es decir, al eliminar las vías de recombinación que no producen fotones; o al resolver el problema de acoplamiento de salida (frecuente en los LED de película delgada) o al equilibrar la inyección de portadores de carga para aumentar la EQE (eficiencia cuántica externa). Los dispositivos PLED más recientes han superado la barrera del rendimiento al elevar la EQE por encima del 20 %. [ 130 ]
En 2018, Cao et al. y Lin et al. publicaron de forma independiente dos artículos sobre el desarrollo de LED de perovskita con una EQE superior al 20 %, lo que convirtió a estos dos artículos en un hito en el desarrollo de PLED. Sus dispositivos tienen una estructura planar similar, es decir, la capa activa (perovskita) está intercalada entre dos electrodos. Para lograr una EQE alta, no solo redujeron la recombinación no radiativa, sino que también utilizaron sus propios métodos, sutilmente diferentes, para mejorar la EQE. [ 130 ]
En el trabajo de Cao et al. , [ 131 ] los investigadores abordaron el problema del acoplamiento de salida, que consiste en que la física óptica de los LED de película delgada provoca que la mayor parte de la luz generada por el semiconductor quede atrapada en el dispositivo. [ 132 ] Para lograr este objetivo, demostraron que las perovskitas procesadas en solución pueden formar espontáneamente plaquetas cristalinas a escala submicrométrica, que pueden extraer eficientemente la luz del dispositivo. Estas perovskitas se forman mediante la introducción de aditivos de aminoácidos en las soluciones precursoras de perovskita . Además, su método permite pasivar los defectos superficiales de la perovskita y reducir la recombinación no radiativa. Por lo tanto, al mejorar el acoplamiento de salida de la luz y reducir las pérdidas no radiativas, Cao y sus colegas lograron con éxito un PLED con una EQE de hasta el 20,7 %. [ 131 ]
Lin y su colega emplearon un enfoque diferente para generar una alta EQE. En lugar de modificar la microestructura de la capa de perovskita, optaron por adoptar una nueva estrategia para gestionar la distribución composicional en el dispositivo, un enfoque que proporciona simultáneamente alta luminiscencia e inyección de carga equilibrada. En otras palabras, siguieron utilizando una capa emisora plana, pero intentaron optimizar el equilibrio de electrones y huecos inyectados en la perovskita, para así aprovechar al máximo los portadores de carga. Además, en la capa de perovskita, los cristales están perfectamente recubiertos por el aditivo MABr (donde MA es CH₃NH₃ ) . La capa de MABr pasiva los defectos no radiativos que de otro modo estarían presentes en los cristales de perovskita, lo que reduce la recombinación no radiativa. Por lo tanto, al equilibrar la inyección de carga y disminuir las pérdidas no radiativas, Lin y sus colegas desarrollaron un PLED con una EQE de hasta el 20,3 %. [ 133 ]
Salud y seguridad
Ciertos LED azules y LED blancos fríos pueden superar los límites de seguridad del llamado riesgo de luz azul, tal como se define en las especificaciones de seguridad ocular, como "ANSI/IESNA RP-27.1–05: Práctica recomendada para la seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas". [ 134 ] Un estudio no mostró evidencia de riesgo en el uso normal con la iluminancia doméstica, [ 135 ] y que la precaución solo es necesaria para situaciones ocupacionales particulares o para poblaciones específicas. [ 136 ] En 2006, la Comisión Electrotécnica Internacional publicó la norma IEC 62471 Seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas , reemplazando la aplicación de las primeras normas orientadas al láser para la clasificación de fuentes LED. [ 137 ]
En 2016, la Asociación Médica Estadounidense (AMA) emitió un comunicado sobre la posible influencia adversa del alumbrado público azulado en el ciclo de sueño-vigilia de los habitantes de las ciudades. Los críticos del sector afirman que los niveles de exposición no son lo suficientemente altos como para tener un efecto perceptible. [ 139 ]
Impacto en la vida silvestre: Los LED son mucho más atractivos para los insectos que las luces de vapor de sodio, tanto que ha habido preocupación especulativa sobre la posibilidad de alteración de las redes tróficas . [ 140 ] [ 141 ] La iluminación LED cerca de las playas, particularmente los colores azul y blanco intensos, puede desorientar a las crías de tortuga y hacer que se adentren en el interior. [ 142 ] Los grupos conservacionistas fomentan el uso de LED de "iluminación segura para tortugas" que emiten solo en porciones estrechas del espectro visible para reducir los daños. [ 143 ]
Uso en condiciones invernales: Dado que no emiten mucho calor en comparación con las luces incandescentes, las luces LED utilizadas para el control del tráfico pueden quedar ocultas por la nieve, lo que puede provocar accidentes. [ 144 ] [ 145 ]
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Lecturas adicionales
David L. Heiserman (1968). Diodos emisores de luz (PDF) . Electronics World.
Shuji Nakamura ; Gerhard Fasol; Stephen J Pearton (2000). El diodo láser azul: La historia completa . Springer Verlag. ISBN978-3-540-66505-2.
Enlaces externos
Construyendo un LED de bricolaje
LED de cambio de color en un solo paquete de dos pines ,