Ejemplos de preguntas sobre diodos emisores de luz (LED)
Un diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo semiconductor que emite luz al pasar una corriente eléctrica a través de él. El fenómeno que explica el funcionamiento de los LED se conoce como electroluminiscencia, donde un material semiconductor emite luz al ser excitado por una corriente eléctrica. Los LED se han popularizado en diversas aplicaciones debido a su alta eficiencia y larga vida útil en comparación con las fuentes de luz tradicionales, como las bombillas incandescentes.
En este artículo, analizaremos algunos ejemplos de problemas relacionados con los LED y explicaremos sus soluciones y discusiones en detalle para ayudar a comprender el concepto que hay detrás de este fenómeno.
Ejemplo de pregunta 1: Propiedades básicas de los LED
Pregunta: Un LED tiene el potencial de emitir luz con una longitud de onda de 650 nm (nanómetros). Calcula la energía de los fotones emitidos por este LED en electronvoltios (eV).
Discusión:
La energía del fotón se puede calcular utilizando la ecuación de Planck:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Dónde:
– \( E \) es la energía del fotón,
– \( h \) es la constante de Planck (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \( c \) es la velocidad de la luz (\(3 \times 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) es la longitud de onda de la luz (650 nm o \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)).
Sustituyendo estos valores en la ecuación se obtiene:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 \times 10^{-19} \text{ J}
\]
A continuación, convertimos julios a electronvoltios utilizando la conversión \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Por lo tanto, la energía del fotón emitido por un LED con una longitud de onda de 650 nm es de aproximadamente 1.90 eV.
Ejemplo 2: Voltaje directo del LED
Pregunta: Un LED rojo tiene una tensión directa de 2 V y requiere una corriente de 20 mA para funcionar correctamente. Calcula la potencia consumida por el LED.
Discusión:
Para calcular la potencia absorbida por el LED, utilizamos la ecuación básica de potencia, a saber:
\[ P = V \times I \]
Dónde:
– \( P \) es la potencia en vatios (W),
– \( V \) es el voltaje en voltios (V),
– \( I \) es la corriente en amperios (A).
Sustituye estos valores en la ecuación:
\[
P = 2 V × 20 mA
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Así pues, la potencia absorbida por un LED rojo que funciona con una tensión directa de 2 V y una corriente de 20 mA es de 0.04 vatios.
Ejemplo 3: Eficiencia de los LED
Pregunta: Un LED azul tiene una eficiencia cuántica del 30%. Si el LED consume 0.1 W de potencia eléctrica, ¿cuánta potencia emite en forma de luz?
Discusión:
La eficiencia cuántica (η) es la relación entre la potencia liberada en forma de luz (P_luminosa) y la potencia eléctrica de entrada (P_entrada):
\[ η = \frac{P_{\text{luminoso}}}{P_{\text{entrada}}} \]
Para hallar \( P_{\text{luminoso}} \), utilice la siguiente ecuación con un valor de eficiencia del 30% o 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminoso}}}{0.1 \text{ W}}
\]
De este modo:
\[
P_{\text{luminoso}} = 0.30 \times 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Por lo tanto, la potencia liberada por el LED en forma de luz es de 0.03 vatios.
Problema de ejemplo 4: Circuito LED en serie
Pregunta: Tienes tres LED con una tensión directa de 2 V cada uno que necesitas conectar en serie. Si la fuente de tensión es de 9 V, determina el valor de la resistencia necesaria para limitar la corriente a 20 mA.
Discusión:
Cuando los LED se conectan en serie, el voltaje total requerido es la suma de los voltajes directos de cada LED:
\[
V_{total} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
La tensión residual que debe disipar la resistencia es:
\[
V_{R} = V_{fuente} – V_{total}
= 9V – 6V
= 3 V
\]
Con una corriente deseada de 20 mA, el valor de la resistencia se calcula utilizando la Ley de Ohm:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
Por lo tanto, el valor de resistencia requerido es de 150 ohmios.
Ejemplo 5: Circuito limitador de corriente para LED en paralelo
Pregunta: En un circuito, hay dos LED en paralelo, cada uno con una tensión directa de 2 V y una corriente de 20 mA. ¿Cuál es la corriente total requerida de una fuente de tensión de 5 V si se utiliza una resistencia para cada LED?
Discusión:
Para los LED dispuestos en paralelo, cada LED experimentará el mismo voltaje, es decir, su respectivo voltaje directo, y dado que requieren 20 mA de corriente por LED, la corriente total es:
\[
I_{total} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]
Para calcular el valor de la resistencia para cada LED:
\[
V_{R} = V_{fuente} – V_f
= 5V – 2V
= 3 V
\]
El valor de la resistencia para limitar la corriente en cada LED es:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
Por lo tanto, cada LED requiere una resistencia de 150 ohmios. La corriente total requerida de una fuente de alimentación de 5 V es de 40 mA.
conclusión
Los LED son componentes esenciales en la electrónica moderna gracias a su capacidad para proporcionar iluminación de alta eficiencia y larga vida útil. Comprender conceptos básicos como la tensión directa, la corriente, la potencia, la eficiencia cuántica y cómo configurarlos en un circuito proporciona una base sólida para aplicaciones prácticas. Los ejemplos anteriores constituyen un primer paso para dominar las diversas aplicaciones y cálculos relacionados con el uso de LED en circuitos electrónicos.
