ILUMINACION DE ESTADO SÓLIDO LED

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1 FERNANDO GARRIDO ALVAREZ FERNANDO GARRIDO ALVAREZ INGENIERO INDUSTRIAL INGENIERO INDUSTRIAL CONSULTOR LUMINOTECNICO CONSULTOR LUMINOTECNICO ILUMINACION DE ESTADO SÓLIDO LED UNA APROXIMACION A SU CONOCIMIENTO

2 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES Según sea su estructura de bandas de energía, los materiales se clasifican en: AISLANTES. Muy mal conductor de la electricidad. METAL. Buen conductor de la electricidad. SEMICONDUCTOR. Sustancia con conductividad comprendida entre ambos extremos.

3 ESTRUCTURA DE BANDAS DE ENERGÍA La estructura de bandas de energía es la representada a continuación. a : Material aislante b: Material semiconductor c : Material conductor

4 AISLANTE En un material aislante, como un cristal de diamante (carbono), la región que no contiene estados cuánticos es de varios electrovoltios de anchura ( E = 6 ev.). La energía que puede suministrarse a un electrón no es suficiente para que la partícula salte de la banda llena a la vacía. Por tanto la conducción no es posible.

5 SEMICONDUCTOR En un material semiconductor la región que no contiene estados cuánticos es relativamente pequeña (E = 1 ev.). Para el germanio (0,785 ev.) y el silicio (1,21 ev.) a 0ºK. Estos materiales a baja temperatura serán aislantes, pues un campo aplicado no puede llegar a las energías necesarias para que la partícula salte. Con el aumento de la temperatura, algunos electrones adquieren energía térmica suficiente y saltan a la banda de conducción, convirtiéndose en electrones libres, con movimiento, incluso bajo la influencia de un campo pequeño. El aislante se ha convertido en ligeramente conductor. La ausencia de un electrón en la banda de valencia, se denomina hueco (nivel de energía vacío). Este hueco puede servir como un portador de electricidad, como si fuera un electrón libre. Con la introducción de átomos de impurezas en el cristal, aparecen estados de energías permitidos en el interior de la banda prohibida de energías. Estos niveles de impurezas contribuyen también a la conducción.

6 METAL La estructura de banda, en un metal, no tiene región prohibida. Se solapan la banda de valencia, con la de conducción vacía. Bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones se pueden mover hacia estados de energía más alta, generando éstos en su movimiento, una corriente. El metal por tanto en un conductor.

7 IMPUREZAS DONADORAS O TIPO n Si al germanio (Ge) o silicio (Si), con cuatro electrones de valencia, se le añade una pequeña cantidad de impurezas de antimonio (Sb), fósforo (P) ó arsénico (As) con cinco electrones de valencia, los átomos de las impurezas desplazarán de la red cristalina a algunos de los átomos de germanio ó silicio. Cuatro de los cinco electrones de valencia ocuparán los enlaces covalentes y el quinto, no ligado, será un portador disponible de corriente. La energía necesaria para liberar del átomo a éste quinto electrón es solamente del orden de 0,01 ev. (Ge) y de 0,05 ev. (Si). Estas impurezas donan electrones (portadores negativos) y por tanto se les denomina donadoras o tipo n.

8 IMPUREZAS ACEPTADORAS O TIPO p Si al germanio (Ge) ó silicio (Si), con cuatro electrones de valencia, se le añade una pequeña cantidad de impurezas de boro (B), galio (Ga) ó indio (in) con tres electrones de valencia, solamente podrán rellenarse tres de los enlaces covalente, originándose un hueco. Tales impurezas dan origen a portadores positivos disponibles para la conducción, puesto que crean huecos al aceptar electrones. Estas impurezas que aceptan electrones, se les denomina aceptadoras o tipo p.

9 UNION p-n Si en un cristal único de un semiconductor, por ejemplo, el silicio introducimos impurezas donadoras en un extremo y aceptadoras en el otro, se forma una unión p-n Esta unión se comporta como un diodo y por tanto permite que la corriente circule fácilmente en un sentido y se opone a su paso en el opuesto.

10 DIODO IDEAL Elemento de circuito con dos terminales que tiene las siguientes características: No presenta resistencia al flujo de corriente si la placa es positiva con respecto al cátodo. (Resistencia nula en sentido directo). No circula corriente si la placa es negativa respecto del cátodo. (Resistencia infinita en sentido opuesto). Es nula la capacidad en paralelo del diodo. Estas características son independientes de la temperatura.

11 Un led básicamente es un semiconductor unido a dos terminales (cátodo y ánodo) (negativo y positivo), recubierto por una resina epoxi transparente. Cuando una corriente circula por el led se produce un efecto llamado electroluminiscencia, transformándose la corriente eléctrica en radiación visible, por excitación de la materia. Por tanto son fuentes de luz en estado sólido, o sea sin filamento, ni gas inerte que lo rodee, ni cápsula de vidrio que lo recubra. LED (LIGHT EMITING DIODE)

12 EVOLUCION CRONOLOGICA DE LOS LED Nick Holonyack inventó el primer diodo emisor de luz en los laboratorios de General Electric. Era de color rojo. Se emplearon como indicadores. Años 70. Aparecen los led de color verde, amarillos y naranjas. Se amplia el mercado de uso a calculadoras, relojes digitales y monitores. Años 80. Se mejora la calidad de los procesos de fabricación, siendo más eficientes y generando más luz. Se amplía su uso a paneles y sinópticos, así como en señalización exterior Aparecen los dispositivos de estado sólido orgánico (OLED) Nakamura inventa el led de color azul. Se logra la luz blanca. Finales de los años 90. El mercado se sectoriza en áreas de desarrollo Aparición de los led de alta luminosidad Aparecen los dispositivos denominados Luxeón K2 (última generación).

13 TIPOS DE MONTAJES DE LED Para las diversas aplicaciones de los led se realizan diferentes tipos de montajes. Led radial (Radial led). Led montado en superficie (SMT) (Surface mounted technology). Chip en placa (Chip-on-board). Luminarias completas.

14 ESPECTRO DE EMISION DE UN LED El espectro de una radiación, es la representación o especificación de los componentes monocromáticos de la radiación considerada. Línea espectral, es la radiación monocromática emitida en una transición entre dos niveles de energía. El color de la luz depende de la energía de los fotones emitidos. En un led esto depende de la cantidad de energía que pierde el electrón al alojarse en el hueco. Dicha cantidad de energía es la misma para todos los huecos de un determinado material semiconductor. Por lo tanto cada material emite una radiación monocromática dependiendo ésta de la mezcla de materiales semiconductores. Ejemplos tipos : Mezcla de InGaN radiación entre 360 y 550 nm. Mezcla de AlInGaP..radiación entre 590 y 680 nm. Mezcla de AlGaAs radiación entre 640 y 810 nm.

15 LED BLANCO La radiación luminosa generada en un led azul, mediante un recubrimiento fosforescente se transforma en luz blanca. InGaN. Azul intenso, azul, cian, verde + Fósforo = Blanco Además y según la mezcla se puede conseguir la misma gama de colores que las lámparas fluorescentes. El índice de reproducción cromática, está en torno a Ra = 80.

16 FLUJO LUMINOSO La cantidad de luz (flujo luminoso radiante) generada por un led depende del color, diseño y temperatura. Si aumenta la temperatura, disminuye la generación de luz de un led. Como cualquier fuente de luz, los led presentan una depreciación de su flujo luminoso gradual con el tiempo. Esta reducción depende la corriente de excitación en el circuito de alimentación y de la temperatura de funcionamiento. Cuando su flujo luminoso es un 50% de su flujo inicial, podemos decir que un led ha llegado al final de su vida. A partir de estos porcentajes el ojo humano nota la caída de flujo.

17 VIDA UTIL DE LOS LED La fiabilidad de un led depende de: Las condiciones del circuito de alimentación Del estricto cumplimiento de las prácticas recomendadas de montaje. Los motivos de fallos en un led pueden ser por: Exceso de carga térmica, por temperaturas de unión alta, o por una resistencia térmica con el ambiente anormalmente alta. Por sobrecargas debidas a transitorios de corriente de red. Los tipos de fallos que pueden producirse en un led son: Fallos de tipo catastrófico. Fallos de tipo paramétrico. El resultado de un fallo es que no emite luz

18 VENTAJAS DE LOS LED Reducido tamaño. Alta resistencia a vibraciones e impacto. Larga vida útil. Bajo consumo de energía. Elevada saturación del color y eficiencia cromática. Sin emisión de UV / IR Efectividad a bajas temperaturas. Posibilidad de regulación analógica o DALI y combinaciones RGB.

19 EQUIPOS AUXILIARES PARA FUNCIONAMIENTO DE LOS LED Los led funcionan en corriente continua, a baja tensión de 10 V. y/o 24 V. Para cada led se define su corriente máxima y por tanto su flujo luminoso. Para la elección de los led, no solo hay que definir los parámetros fotométricos y geométricos, sino que también hay que determinar el equipo o equipos electrónicos para conseguir el valor de corriente continua adecuado que garantice el funcionamiento óptimo del led elegido.

20 CONTROL Y REGULACION Los led admiten regulación de flujo, 1.10 V. y DALI. También admiten regulación dinámica de colores (RGB). Para ello son precisos unidades de control conectadas al secundario de la fuente de alimentación.

21 ALGUNAS APLICACIONES Como dice OSRAM los led permiten. Desarrollar ideas creativas y nuevas soluciones en iluminación. Iluminación para aplicaciones particulares (vitrinas, muebles, luminarias minimalistas). Iluminación de señalización y balizamiento. Iluminación de rótulos y contornos (ventajas frente al neón). Iluminación decorativa (bañador de pared, iluminación indirecta, ventanas de luz, rayos luminosos de colores, etc.) Iluminación exterior (jardines, fachadas, alumbrado vial)

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