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DESCRIPCIÓN TÉCNICA

Física

El LED consiste en un chip de material semiconductor dopado con impurezas para crear una unión p-n. Como en el caso de otros diodos, la corriente fluye de forma sencilla del lado p, o ánodo, al lado n (o cátodo), pero no en el sentido contrario. Los portadores de carga de los electrones huecos fluyen hacia la unión de los electrodos con tensiones diferentes. Cuando un electrón se reúne un agujero, su nivel de energía se reduce, y libera energía en forma de un fotón.
 
La longitud de onda de la luz emitida y por consiguiente, su color depende de la energía de brecha de banda de los materiales que forman la unión p-n. En el silicio o el germanio ambos diodos, los electrones huecos se recombinan por un no-radiactivo en transición, que no produce emisión óptica, porque son materiales indirectos a la brecha de banda. Los materiales que se utilizan para que el LED tenga una brecha de banda directa con energías correspondientes es el infrarrojo visible o la luz ultravioleta.

Con el LED de infrarrojo se inició el proceso de desarrollo de dispositivos con el arseniuro de galio. Los avances en la ciencia de los materiales han permitido que los dispositivos con longitudes de ondas más cortas emitan una luz en una variedad de colores.

Los LEDs se construyen generalmente de tipo n sustrato, con un electrodo conectado a la p-tipo de capa depositada sobre la superficie. Sustratos de tipo P, aunque con menos frecuencia, se presentan así. Muchos LEDs comerciales, especialmente GaN/InGaN, también usan zafiro como sustrato.

La mayoría de los materiales utilizados para producción de los LEDs tienen un alto índice de refracción. Esto significa que toda la luz se refleja en el material de la materia/interfaz del aire en superficie. Por lo tanto, la extracción en luz LED es un aspecto importante de producción, sujeto a muchas actividades de investigación y desarrollo.

 

Eficiencia y los parámetros operacionales

Los típico indicadores LED están diseñados para operar con no más de 30 a 60 milivatios (mW) de energía eléctrica. Alrededor de 1999, Philips Lumileds introdujo LEDs de potencia capaz de uso continuo a un vatio. Estos LEDs utilizan tamaños de matriz de semiconductores más grandes para gestionar grandes entradas de alimentación. Además, el semiconductor muere y se montan en metales babosas para permitir la eliminación del calor. Las densidades de potencia hasta 300W/cm² han sido alcanzadas.

Una de las principales ventajas del LED como fuente de iluminación es alta eficacia luminosa. El LED de color blanco superó rápidamente con su eficacia los sistemas de iluminación incandescente estándar. En el año 2002, Lumileds desarrollo un LED de cinco-vatio disponible con una eficacia luminosa de 18 a 22 lúmenes por vatio (lm/W). En comparación, una bombilla incandescente de 60 a 100 watts emite alrededor de 15 lm/W, y luces fluorescentes emiten hasta 100 lm/W. Un problema recurrente es que la eficacia cae bruscamente con el aumento actual. Este efecto se conoce como reducción y limita efectivamente la salida de luz de un determinado INDICADOR LED, la calefacción más de salida de luz de mayor corriente.

El mecanismo de reducción de pérdida de la eficiencia fue identificado en 2013 con la   recombinación del sinfín.

A principios de 2012, el catálogo Lumiled exponía lo siguiente como la mejor eficacia para cada color:

 

Color

Rango de longitud de onda

(nm)

Eficacia   típica

(lm/W)

 

Rojo

620 < λ < 645

72

 

Rojo-Naranja

610 < λ < 620

98

 

Verde

520 < λ < 550

93

 

Matiz entre azul y verde
 
 

490 < λ < 520

75

 

Azul

460 < λ < 490

37

En septiembre de 2003, un nuevo tipo de LED azul fue presentado por la empresa Cree Inc. para mejorar de 24 mW a 20 miliamperios (mA). Esto produjo una luz blanca para envasados comercialmente a 65 lm/W a 20 mA, convirtiéndose en el más brillante LED blanco disponible en el mercado para la época y cuatro veces más eficientes que las incandescentes estándar. En el año 2006, se presentó un prototipo con un LED blanco que registró una eficacia luminosa de 131 lm/W a 20 mA. Nichia Corporation había desarrollado un LED blanco con eficacia luminosa de 150 lm/W con una corriente de 20 mA. XLamp de Cree XM-L led, disponible comercialmente en el año 2011, produce 100 lúmenes por vatio en toda su potencia de 10 vatios y hasta 160 lúmenes por vatio en torno a los 2 vatios potencia de entrada. En 2012, se presentó LED blanco 254 lúmenes por vatio.

General Práctica necesitaba de una iluminación LED de alta potencia, de un vatio o más. Con una corriente de operación típica de dichos dispositivos a 350 mA.

Hay que tener en cuenta que estos datos de eficiencias son sólo para el chip LED, que se desarrolló a baja temperatura en un laboratorio. Para obras de alumbrado a altas temperaturas hay pérdidas con circuito de mando, de manera que la eficiencia es mucho menor. El departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) dice que las lámparas LED con diseño comercial para reemplazar las lámparas incandescentes o lámparas CFL con eficacia promedio demostró que todavía estaba alrededor de 46 lm/W y en el año 2009 (probado rendimiento oscilaban entre 17 lm/W 79 lm/W).

En un comunicado de prensa emitido el 3 de febrero de 2010 sobre un prototipo de laboratorio LLEVADO llegó a alcanzar 208 lúmenes por vatio a temperatura ambiente. La correlación entre temperatura de color alcanzada fue de 4579 K. En diciembre de 2012 se emitió otro comunicado de prensa anunciando la disponibilidad comercial de un LED con 200 lúmenes por vatio a temperatura ambiente. 

 

Miniatura

Son en su mayoría de un solo chip LED utilizados como indicadores, y vienen en varios tamaños de 2 mm a 8 mm, con orificio pasante de paquetes y de montaje en superficie. Por lo general, no utilizan un disipador de calor. Los rangos típicos de corriente son alrededor de 1 mA por encima de 20 mA. El pequeño tamaño natural establece un límite superior en el consumo de energía debido al calor provocado por la alta densidad de corriente y la necesidad de un disipador de calor.

Con un paquete común en formas redondas, con una cima plana o en forma de domo y rectangular con una parte superior plana (como el que se usa en gráfico de barras muestra), y triangulares o cuadradas con una parte superior plana. El encapsulamiento también puede ser transparente o tintado para mejorar el contraste y el ángulo de visión.

Hay tres categorías principales de LEDs de único chip en miniatura:

  • De baja corriente nominal: por lo general      de 2 mA a 2 V (aproximadamente 4 mW consumo).
  • Estándar: 20 mA LED (que van desde unos      40 mW a 90 mW) de aproximadamente:

1.9 to 2.1 V para rojo, naranja y amarillo,

3.0 to 3.4 V para verde y azul,

2.9 to 4.2 V para violeta, rosa, morado y blanco.

• De salida-ultra-alta: 20 mA a 2 V o aproximadamente 4-5 V, diseñado para ver a la luz directa del sol.

5 V y 12 V los LEDs son normalmente en miniatura y que incorporan una resistencia en serie apropiada para una conexión directa a 5 V o 12 V. 

 

Gamma Media 

Los LEDs de media potencia son diferenciados a menudo a través del orificio y utilizado principalmente cuando hay una salida de a pocos lumens. A veces tienen el diodo montado en cuatro cables (dos cables de cátodo y ánodo dos cables) para una mejor conducción del calor y llevar una lente integrada. Un ejemplo de esto es el paquete Superflux, de Philips Lumileds. Estos LEDs se utilizan con más frecuencia en los paneles de luz, iluminación de emergencia y el sector de la automoción de las luces traseras, debido a la mayor cantidad de metal en el LED, son capaces de manejar corrientes más altas (alrededor de 100 mA). La corriente más alta permite una salida de la luz superior en las luces y luces de emergencia.

 

Alta potencia 

Los LEDs de alta potencia (HPLED) se soportan a corrientes de cientos de mA a más de un amperio, en comparación con las decenas de mA en otros LEDs. Algunos pueden emitir más de mil lúmenes. Las densidades de potencia de los LEDs de hasta 300W/cm2 se han logrado desde el sobrecalentamiento que es destructivo, el HPLEDs debe ser montado en un disipador de calor para permitir la disipación del calor. Si el calor de un HPLED no se quita el dispositivo falla en segundos. Una HPLED a menudo puede sustituir una bombilla incandescente de una linterna, o se puede establecer en una matriz para formar una potente lámpara de LED.

Algunos HPLEDs conocidos en esta categoría son el Nichia 19 series Rebelde, Lumileds Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon, y Cree X-lámpara. En septiembre de 2009, algunos fabricados por Cris HPLEDs Inc. ahora superan los 105 lm/W (por ejemplo, el XLamp XP-G chip LED que emiten luz blanca fría) y se venden en las lámparas incandescentes destinado a sustituir halógenos e incluso las luces fluorescentes, con la crecida de los LEDs el precio se vuelve competitivo.

El impacto de la ley Haitz que describe el aumento exponencial de salida de luz de los LED con el tiempo puede ser fácilmente visto año tras año en un aumento en la salida de lúmenes y eficiencia. Por ejemplo, el CREE XP-G series han realizado 105 lm/W en el año 2009, mientras que Nichia ha lanzado el serie 19 con una eficiencia típica de 140 lm/W en 2010.

Los LEDs han sido desarrollados por Seoul Semiconductor que pueden funcionar en modo de alimentación de CA sin la necesidad de un convertidor de CC. En cada mitad de ciclo, partes del LED emiten luz y parte es oscuro, se ha invertido durante la próxima mitad del ciclo. La eficacia de este tipo de HPLED es típicamente de 40 lm/W. Un gran número de elementos del LED en serie puede ser capaz de operar directamente en la tensión de línea. En 2009, Seoul Semiconductor publicó un alto voltaje CC LED capaz de ser tener una potencia de corriente alterna con un simple control del circuito. La baja disipación de potencia de los LEDs les brinda más flexibilidad que el diseño original del LED en CA.

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