Cómo funcionan los LED de montaje superficial

Los LEDs de montaje superficial (SMD LEDs) funcionan haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un chip semiconductor, que emite luz por electroluminiscencia. Estos LEDs compactos se sueldan directamente en placas de circuito, con voltajes de funcionamiento típicos que varían de $2\text{V}$ a $3.5\text{V}$ y corrientes de alrededor de $20\text{mA}$. El chip está encapsulado en una carcasa de plástico con un recubrimiento de fósforo (para LEDs blancos) y refleja la luz de manera eficiente, ofreciendo un brillo de hasta $100\text{ lúmenes}$ por vatio. Su pequeño tamaño (por ejemplo, $3.5\text{mm} \times 2.8\text{mm}$ para un $5050\text{ SMD}$) y su baja emisión de calor los hacen ideales para la electrónica moderna.

Estructura Básica del LED

Un LED SMD típico mide entre $1.6\text{mm} \times 0.8\text{mm}$ (tamaño $0603$) y $5.0\text{mm} \times 5.0\text{mm}$ (tamaño $5050$), con un brillo que oscila entre $3$ y $150\text{ lúmenes}$ dependiendo del modelo. En el interior, un chip semiconductor (generalmente hecho de nitruro de galio o materiales similares) convierte la electricidad en luz con una eficiencia de $80$ a $200\text{ lúmenes}$ por vatio, mucho mejor que las viejas bombillas incandescentes.

El núcleo de un LED SMD consta de tres partes principales:

La matriz (die) es el componente real emisor de luz, típicamente de $0.2\text{mm}$ a $1.0\text{mm}$ de ancho, montada sobre una base reflectante de cerámica o metal. Cuando la electricidad fluye a través de ella, los electrones saltan a través de una brecha, liberando energía en forma de luz—un proceso llamado electroluminiscencia. Para los LEDs blancos, una capa de fósforo amarillo convierte parte de la luz azul en tonos más cálidos, logrando una temperatura de color entre $2700\text{K}$ (blanco cálido) y $6500\text{K}$ (blanco frío).

Algunos LEDs SMD tienen un ángulo de visión de $120$ grados, lo que los hace adecuados para iluminación amplia, mientras que otros enfocan la luz en un haz más estrecho de $30$ grados para iluminación puntual. La disipación de calor es crítica: una mala gestión térmica puede reducir a la mitad la vida útil de $50.000$ horas de un LED. Es por eso que los LEDs SMD de alta potencia a menudo usan sustratos de cobre o aluminio para alejar el calor de la matriz.

Una ventaja clave de los LEDs SMD es su bajo voltaje de funcionamiento: la mayoría funciona entre $2.8\text{V}$ y $3.4\text{V}$ con corrientes de $20\text{mA}$ a $350\text{mA}$. Esto los hace energéticamente eficientes, consumiendo $60$-$80\%$ menos energía que las tecnologías de iluminación más antiguas. Su pequeño tamaño también permite diseños de alta densidad; una sola placa de circuito puede albergar cientos de LEDs por pulgada cuadrada, lo que permite pantallas ultradelgadas y retroiluminación brillante y uniforme.

A diferencia de los LEDs más antiguos, las versiones SMD no dependen de voluminosas cúpulas de plástico. En cambio, su diseño plano permite la soldadura directa en PCB, reduciendo los costos de ensamblaje en un $15$-$30\%$ en comparación con los LEDs de orificio pasante. Algunos modelos avanzados incluso integran múltiples matrices (RGB o blancas) en un solo paquete, lo que permite pantallas a todo color sin cableado adicional.

Cómo la Corriente Crea Luz

A diferencia de las bombillas incandescentes de la vieja escuela que desperdician el $90\%$ de su energía en forma de calor, los LEDs convierten hasta el $50\%$ de la energía eléctrica en luz visible, lo que los hace mucho más eficientes. Esto sucede dentro de un pequeño chip semiconductor, generalmente hecho de materiales como nitruro de galio ($\text{GaN}$) o nitruro de indio y galio ($\text{InGaN}$), donde los electrones y los «agujeros» (electrones faltantes) chocan para liberar fotones—las partículas básicas de la luz.

Cuando se aplica un voltaje entre $2\text{V}$ y $3.5\text{V}$ a un LED, los electrones saltan del lado negativo (semiconductor de tipo n) al lado positivo (semiconductor de tipo p). La brecha de energía entre estas capas determina el color de la luz. Por ejemplo, una caída de $2.1\text{V}$ generalmente produce luz roja, mientras que $3.2\text{V}$ produce azul. Los LEDs blancos hacen un poco de trampa: comienzan con luz azul (alrededor de $450\text{nm}$ de longitud de onda) y la pasan a través de un recubrimiento de fósforo amarillo, mezclando los dos para crear blanco. La composición exacta del fósforo ajusta la temperatura de color, que oscila entre $2700\text{K}$ (blanco cálido) y $6500\text{K}$ (luz diurna).

Los LEDs premium basados en $\text{GaN}$ pueden alcanzar los $200\text{ lúmenes}$ por vatio, mientras que los más baratos solo pueden alcanzar $80\text{ lm}/\text{W}$. El calor es el enemigo aquí: por cada subida de $10^\circ\text{C}$ en la temperatura de la unión, el brillo del LED cae entre un $2$-$5\%$, y la vida útil se reduce en un $15$-$20\%$. Es por eso que los LEDs de alta potencia utilizan materiales como sustratos de zafiro o carburo de silicio, que conducen el calor $3\text{x}$ mejor que el epoxi estándar.

El control de corriente es crítico. Demasiado poca (por debajo de $10\text{mA}$), y el LED permanece tenue; demasiado (más de $350\text{mA}$ para SMDs pequeños), y se quema rápidamente. La mayoría de los LEDs funcionan de manera óptima a $20$-$150\text{mA}$, con un voltaje directo que varía según el color:

• Rojo/Naranja/Amarillo: $1.8$-$2.2\text{V}$
• Verde/Azul/Blanco: $2.8$-$3.4\text{V}$

Al encender/apagar la corriente miles de veces por segundo (por ejemplo, frecuencia de $1\text{kHz}$), el LED aparece más tenue con un ciclo de trabajo del $30\%$, pero mantiene el mismo tono. Esto evita el cambio de color causado por la atenuación analógica, donde la reducción de la corriente puede volver los LEDs azules ligeramente morados.

Curiosamente, no todos los fotones escapan del LED. Debido a las reflexiones internas, el $20$-$30\%$ de la luz queda atrapada dentro del chip. Los LEDs de alta gama combaten esto con matrices de microlentes o superficies texturizadas que aumentan la extracción de luz en un $15$-$40\%$. Otros utilizan diseños de «flip-chip» donde la capa emisora de luz se encuentra más cerca del sustrato, lo que reduce las pérdidas por los cables de unión.

¿El resultado? Una tecnología que ha revolucionado la iluminación. Un solo LED SMD de $3\text{W}$ puede reemplazar una bombilla incandescente de $40\text{W}$, dura $25\text{x}$ más ($50.000$ frente a $2.000$ horas) y utiliza $85\%$ menos de energía. A continuación, compararemos los LEDs SMD con sus predecesores más voluminosos, y por qué ganaron los pequeños cuadrados planos.

SMD vs LEDs Tradicionales

Brillo y Eficiencia

• LEDs Tradicionales (p. ej., redondos de $5\text{mm}$):
  1. Salida: $2$-$5\text{ lúmenes}$ a $20\text{mA}$
  2. Ángulo de visión: $30$-$60^\circ$
  3. Eficiencia: $80$-$100\text{ lm}/\text{W}$
• SMD LEDs (p. ej., tamaño $5050$):
  1. Salida: $15$-$20\text{ lúmenes}$ a $20\text{mA}$ ($3$-$4\text{x}$ más brillante)
  2. Ángulo de visión: $120^\circ$ (cobertura más amplia)
  3. Eficiencia: Hasta $200\text{ lm}/\text{W}$ ($2\text{x}$ más eficiente)

Tamaño y Flexibilidad de Diseño

• LEDs Tradicionales:
  1. Voluminosos ($5\text{mm}$ de diámetro $\times\ 8\text{mm}$ de altura)
  2. Requiere $\geq10\text{mm}$ de espacio en PCBs
  3. Ejemplo: Una retroiluminación de smartphone necesitaba $30$ LEDs de orificio pasante
• SMD LEDs:
  1. Compactos (p. ej., $3.5\text{mm} \times 2.8\text{mm}$)
  2. $60$-$80\%$ menos de espacio en PCB
  3. La misma retroiluminación de smartphone ahora usa solo $10$ SMDs

Rendimiento Térmico y Vida Útil

• LEDs Tradicionales:
  1. Las carcasas de epoxi atrapan el calor $\rightarrow$ $100^\circ\text{C}$ a $50\text{mA}$
  2. La vida útil se reduce en un $50\%$ en el uso en el mundo real
  3. Clasificación de $50.000$ horas (pero a menudo $25.000\text{ hrs}$ en la práctica)
• SMD LEDs:
  1. Unión directa de matriz a metal $\rightarrow$ $20$-$30^\circ\text{C}$ más fríos
  2. Las variantes de alta potencia manejan $700\text{mA}$ continuamente
  3. Mantiene más de $50.000$ horas incluso con altas corrientes

Costo y Fabricación

• Costo Unitario:
  1. Tradicional: $\$0.02$-$0.05$
  2. SMD: $\$0.03$-$0.08$ (ligeramente más alto)
• Ahorros de Ensamblaje:
  1. Tradicional: Soldadura manual/por ola ($\$0.10$-$0.15$ por LED)
  2. SMD: «Pick-and-place» automatizado ($\$0.01$-$0.03$ por LED)
  3. Ahorra $\$800$-$1.200$ por $10.000$ unidades
• Tasas de Rotura:
  1. Tradicional: $15$-$20\%$ (daño de plomo durante la manipulación)
  2. SMD: Casi $0\%$ (plano, sin cables frágiles)

Consistencia de Color y Fiabilidad

• LEDs Tradicionales:
  1. $20$-$30\text{nm}$ de variación de longitud de onda (diferencias de tinte visibles)
  2. Poca coincidencia de color (rara vez cumple con las necesidades médicas/CRI $>95$)
• SMD LEDs:
  1. $5$-$10\text{nm}$ de tolerancia (recubrimiento de fósforo automatizado)
  2. $90\%$ dentro de la elipse de $3$ pasos de MacAdam (uniformidad de color precisa)

Durabilidad (Resistencia Térmica y a la Vibración)

• LEDs Tradicionales:
  1. Tasa de fallo del $12$-$15\%$ después de $1.000$ ciclos térmicos ($-40^\circ\text{C}$ a $+85^\circ\text{C}$)
  2. Falla a $20\text{G}$ de vibración (fatiga del plomo)
• SMD LEDs:
  1. Tasa de fallo de $<3\%$ en las mismas condiciones
  2. Soporta $50\text{G}$ de vibración durante más de $100$ horas

Ahorros en el Mundo Real

• Ejemplo de Alumbrado Público:
  1. Los SMDs ahorran $500\text{ kWh}/\text{año}$ por luminaria (frente a los tradicionales)
  2. El $20$-$30\%$ más de costo inicial se amortiza en $<18\text{ meses}$
• Uso de Indicadores:
  1. Vida útil de SMD: $3$-$5$ años
  2. Vida útil tradicional: $1$-$2$ años (a $50\text{mA}$ continuos)

Por qué el SMD Domina ($90\%$ de la Iluminación Moderna)

✔ Más pequeño, más brillante, más eficiente
✔ Mayor vida útil y mejor gestión del calor
✔ Menores costos de ensamblaje y mayor fiabilidad
✔ Consistencia de color superior
✔ ROI probado en uso comercial/industrial

Tamaños y Especificaciones Comunes

La convención de nombres es sencilla:

• $2835\text{ LED}$ = $2.8\text{mm} \times 3.5\text{mm}$
• $5050\text{ LED}$ = $5.0\text{mm} \times 5.0\text{mm}$

Pero las dimensiones por sí solas no definen el rendimiento.

LEDs de Pequeña Escala (Indicadores y Retroiluminación)

• $0402\text{ LEDs}$ ($0.4\text{mm} \times 0.2\text{mm}$)
  1. Corriente: $10$-$15\text{mA}$
  2. Salida: $2$-$3\text{ lúmenes}$
  3. Uso: Indicadores de estado de smartphones (espacio $< 1\text{mm}^2$)
• $1608\text{ LEDs}$ ($1.6\text{mm} \times 0.8\text{mm}$)
  1. Corriente: $20\text{mA}$
  2. Salida: $5$-$8\text{ lúmenes}$
  3. Uso: Retroiluminación de smartwatches

LEDs de Rango Medio (Iluminación General)

• $2835\text{ \& } 5050\text{ LEDs}$
  1. Salida: $20$-$50\text{ lúmenes}$
  2. Corriente: $60$-$150\text{mA}$
  3. Ángulo de visión: $120^\circ$
  4. Variantes de alta potencia: $300$-$700\text{mA}$ (requiere disipación de calor)

Variaciones de Color y Voltaje

• Blanco cálido ($2700$-$3000\text{K}$): $5$-$10\%$ menos de salida que el blanco frío ($5000$-$6500\text{K}$) debido a las pérdidas de fósforo.
• $5050\text{ LEDs RGB}$:
  1. Contiene $3$ matrices (Rojo: $620$-$625\text{nm}$, Verde: $520$-$525\text{nm}$, Azul: $465$-$470\text{nm}$)
  2. Salida individual: $7$-$10\text{ lúmenes}$ por color
  3. Luz blanca combinada: $500$-$800\text{mcd}$
• Diferencias de voltaje directo:
  1. $2835\text{ blanco cálido}$: $2.8$-$3.2\text{V}$
  2. $3528\text{ azul}$: $3.0$-$3.4\text{V}$
  3. Consideraciones de serie frente a paralelo:
     • $10\text{ LEDs de } 3\text{V}$ en serie $\rightarrow$ se necesita un driver de $30\text{V}$
     • Configuraciones en paralelo $\rightarrow$ se requiere una regulación de corriente precisa

Factores Térmicos y de Eficiencia

• Encapsulado $5630$ ($5.6\text{mm} \times 3.0\text{mm}$)
  1. Funciona $15$-$20^\circ\text{C}$ más frío que el $3528$ a $150\text{mA}$
  2. $10$-$15\%$ más de vida útil debido a una mejor disipación de calor
• Las categorías de brillo (brightness bins) importan:
  1. LED $3014$ de categoría superior ($3.0\text{mm} \times 1.4\text{mm}$): $12\text{ lúmenes}$ a $30\text{mA}$
  2. Categoría estándar: $9\text{ lúmenes}$ a $30\text{mA}$ ($25\%$ de diferencia)
  3. Afecta a cuántos LEDs necesita una luminaria

Vida Útil y Rendimiento en el Mundo Real

• Clasificado para $50.000$ horas (a $25^\circ\text{C}$ con regulación de corriente adecuada)
• Mundo real (ambiente de $85^\circ\text{C}$): $\sim30.000$ horas
• Encapsulado $7030$ ($7.0\text{mm} \times 3.0\text{mm}$) – Los sustratos cerámicos mantienen el $90\%$ de la salida después de $60.000$ horas incluso a $105^\circ\text{C}$

Micro-LEDs (Pantallas de Próxima Generación)

• Tamaño: $<0.1\text{mm}^2$
• Corriente: $1$-$5\text{mA}$
• Brillo: $5.000$-$10.000\text{ nits}$ (legible en exteriores)
• Densidad: $500\text{ LEDs}/\text{cm}^2$ (permite $4\text{K}$ en pantallas de smartphones)
• Costo: $30$-$50\%$ más alto que el ensamblaje SMD estándar

Puntos Clave

• El tamaño afecta el rendimiento térmico y el brillo
• Los requisitos de voltaje y corriente varían según el color y el encapsulado
• Los LEDs de alta potencia necesitan disipación de calor
• Las categorías de «bin» impactan en la salida de luz real
• La vida útil se reduce en entornos de alta temperatura
• Los Micro-LEDs permiten pantallas de ultra alta resolución pero cuestan más

Conexiones de Circuito Típicas

La diferencia entre una conducción adecuada y una inadecuada puede significar $50.000$ horas frente a $5.000$ horas de vida útil operativa.

Para un LED blanco de $3\text{V}$ a $20\text{mA}$ en una fuente de $5\text{V}$, se necesita una resistencia de $(5\text{V} – 3\text{V}) / 0.02\text{A} = 100\text{ ohmios}$, disipando $0.04\text{W}$. Esto funciona para indicadores de baja corriente, pero se vuelve ineficiente a mayor potencia: un LED de $150\text{mA}$ desperdicia $0.45\text{W}$ en forma de calor, reduciendo la eficiencia por debajo del $70\%$. Es por eso que los drivers de corriente constante reemplazan a las resistencias por encima de cargas de $100\text{mA}$.

Los reguladores conmutados resuelven los problemas de eficiencia. Un convertidor «buck» que alimenta diez LEDs de $3\text{V}$ en serie desde $24\text{V}$ logra una eficiencia del $90$-$95\%$ al entregar solo los $30\text{V}$ necesarios. Estos mantienen una variación de corriente del $1$-$3\%$ a pesar de las fluctuaciones de entrada ($20\text{V}$ a $30\text{V}$), lo cual es crítico para aplicaciones automotrices o alimentadas por batería. La serie $\text{Mean Well LDD}$ (drivers de $350\text{mA}$, $\$1.50$-$2.00$) se amortiza en $6$-$12$ meses a través del ahorro de energía frente a los circuitos de resistencia.

Incluso los LEDs del mismo lote muestran una variación de voltaje directo del $5$-$10\%$. Conectar cinco LEDs de $3\text{V}$ en paralelo a $3.3\text{V}$ sin resistencias provoca un «acaparamiento de corriente»: un LED puede consumir $120\text{mA}$ mientras que otros obtienen $80\text{mA}$, lo que lleva a un brillo desigual y una degradación acelerada. Soluciones:

• Resistencias individuales (p. ej., $22\text{ ohmios}$ para LEDs de $20\text{mA}$)
• Drivers multicanal (p. ej., $\text{TI TLC}5916$) que regulan cada rama de forma independiente.

Pulsar un LED de $500\text{mA}$ a $1\text{kHz}$ (ciclo de trabajo del $30\%$) logra una corriente promedio de $150\text{mA}$ sin cambio de color. Los drivers de gama alta como el $\text{AL}8805$ admiten $\text{PWM}$ de $25\text{kHz}$, eliminando el parpadeo mientras permiten una atenuación del $0$-$100\%$. ¿La desventaja? Los circuitos $\text{PWM}$ añaden $\$0.30$-$0.50$ al $\text{BOM}$ (Lista de Materiales), pero habilitan funciones como efectos de amanecer suaves en la iluminación inteligente.

Un LED de $3\text{W}$ ($700\text{mA}$ a $3.4\text{V}$) genera $2.4\text{W}$ de calor, lo que requiere $1$ pulgada cuadrada de cobre de $2\text{oz}$ por vatio para el enfriamiento pasivo. Si es inadecuado, la temperatura de la unión aumenta de $25^\circ\text{C}$ a $85^\circ\text{C}$, lo que reduce el voltaje directo en $0.1\text{V}$—aumentando la corriente $15$-$20\%$ y sesgando los cálculos de resistencia. Los circuitos de «thermal foldback» mitigan esto al reducir la corriente cuando falla el enfriamiento.

Una tira de $5\text{ metros}$ de $12\text{V}$ con $50\text{ LEDs}$ sufre caída de voltaje: el primer LED obtiene $12.0\text{V}$, el último $10.4\text{V}$, creando un gradiente de brillo del $20\%$. Soluciones:

• Mayor voltaje ($24\text{V}$ o $48\text{V}$)
• Inyección de energía cada $5\text{ metros}$ (cables $18\text{AWG}$) para mantener la caída de voltaje por debajo del $5\%$.