sábado, 21 de febrero de 2015

El LED es él y sus... resistencias.

A menudo nos enfrentamos a la labor de elegir resistencia para nuestros leds. Podemos calcular el valor de la resistencia de manera teórica, o podemos emplear instrumentos más o menos específicos para esta aplicación. Este es uno de los temas que se trataron en el curso de Rail Digital de digitalización de locomotoras, en noviembre-diciembre de 2014 ( resistencias para LEDS y relés ).



Los diodos LED son un caso especial de diodo semiconductor en el que en su construcción se potencia la emisión de luz cuando pasa por él la electricidad. Como otros diodos los LED tienen un terminal llamado ánodo y otro llamado cátodo. Para que el diodo LED emita luz debe conectarse el polo positivo al ánodo y el negativo al cátodo.


Al circular la corriente eléctrica por el LED queda a la vista una de las características : el voltaje directo ( Vf, forward voltage ). Se trata de un voltaje "que se pierde" al circular la corriente a través del LED. Una caida de tensión característica. Este voltaje suele depender del color del LED. Estos diodos están fabricados partiendo de compuestos semiconductores con base de arsénico, galio, indio, aluminio, etc, y de ellos depende el color de la luz que emite. El valor de este voltaje debe venir indicado en su hoja de características ( datasheet ).

Caidas de tensión características
 La tabla anterior muestra unos voltajes aproximados. Siempre debe acudirse a la hoja de datos.

¿Por qué insisto en el voltaje directo?, veamos el procedimiento de cálculo de la resistencia que vamos a conectar en serie con el LED:



Vemos el voltaje de alimentación Vs ( de una pila, del decoder de la locomotora... ) y más a la derecha encontramos el comentado Vf. Para el cálculo de la resistencia debemos restar de la tensión de alimentación el voltaje directo: Vs - Vf. Si, por ejemplo, medimos la tensión que nos proporciona un decoder en su salida de función F2 ( p. ej. 19V ) y vamos a colocar un LED rojo ( aproximadamente 2,1V ) veríamos que en la resistencia deberán caer 19 - 2,1 = 16,9V.

Aparece otro parámetro, la corriente directa ( If ). Se trata de la corriente que circula por el diodo y que provoca su encendido. De nuevo debemos leer la hoja de características para saber de qué márgen de corriente disponemos. Si no sabemos la intensidad máxima continua, por lo general y por precaución, no debemos hacer circular más de 20 miliamperios ( 0,02 A ). ¿Cuál es la corriente óptima para nuestra aplicación?. De momento deberemos elegir un valor y probar. A más intensidad más luz emitirá un LED, pero hemos de tener en cuenta que a veces más luz no es necesariamente mejor. Depende del efecto que queramos conseguir con ese LED. Mas adelante veremos cómo construir un accesorio que nos ayudará en el futuro.

Supongamos un valor intermedio, 10mA. Según la fórmula de la figura anterior (no es más que una aplicación de la ley de Ohm) 16,9V / 10mA = 16,9V / 0,01A = 1690 ohmios. Como normalmente nos vemos obligados a adquirir valores estándar de resistencia, compraremos una resistencia de 1500 ohmios si disponemos resistencias del 10% de tolerancia ( serie E12 ), o mejor 1600 si la resistencia puede ser del 5% ( serie E24 ). La corriente final quedaría 16,9V / 1600 ohm = 10,6mA. Podemos trabajar con un cierto error, porque ni el voltaje será siempre de 19V, ni el LED que compremos tendrá exactamente ese voltaje característico exacto ni la resistencia será realmente de 1600 ohmios. Lo interesante es mantenernos dentro de un márgen de seguridad, alejados del valor máximo de intensidad soportable por el LED. Es muy importante saber que no podemos alimentar a un led con una fuente de un voltaje sin resistencia de limitación de intensidad. Lo mismo que hemos hecho para un LED rojo podemos repetirlo para un LED blanco, sólo hemos de actualizar el voltaje directo y escoger la intensidad.

La intensidad... ¡claro! esa es la cuestión: ¿cuál?. Porque si estamos tratando con un LED de alta eficiencia, tal vez con una intensidad de 2mA tengamos bastante para conseguir la luz deseada. ¿Y si vamos a instalar 3 luces blancas en el testero y queremos que las dos luces inferiores iluminen menos que la luz de largo alcance?. Mejor que calcular ¿no sería ver los resultados prácticos?. Voy a proponer un circuito casero que nos va a ayudar a encontrar esa corriente directa. Necesitamos un potenciómetro lineal de alrededor de 2000 ohmios ( 2K o 2K2 valdría de hasta 5K, mejor si es bobinado, aunque es más caro) y una resistencia ( llamémosla Rt ) de unos 40-60 ohmios. Vamos a soldar la resistencia al potenciómetro de la manera que vemos en la foto:



La resistencia Rt sirve para limitar la corriente en caso de que el potenciómetro esté girado "todo a la derecha", en su posición máxima, y aprovecharemos su presencia para medir la corriente, si no queremos o no podemos utilizar un amperímetro.

En primer lugar gira el potenciómetro a su izquierda, al tope de su posición mínima, y mide el valor de la resistencia Rt. En mi caso son 46,5ohmios. Luego prepara el siguiente circuito:


Los cables que vienen de la derecha (junto al led rojo de 3mm) son de la fuente de alimentación, regulada a 19V. El multímetro está leyendo el voltaje en paralelo con la resistencia Rt y en este caso mide 0,444V. Debemos girar el potenciómetro hacia la derecha hasta que obtengamos el brillo requerido del LED. Cuando consigas que el LED brille como necesitas para la aplicación, sólo tienes que desmontar el circuito y leer con el multímetro el valor de la suma de la resistencia del potenciómetro (con el cursor en la posición elegida) y la resistencia Rt. En este caso son 1804 ohmios. Este valor es fácil de conseguir: 1K8 ohmios. ¿Quieres saber qué intensidad circula por el LED?. Entonces medimos el voltaje que cae en la resistencia (0,444V en la foto). Luego según la ley de ohm I = V / R, I = 0,444V / 46,5ohmios = 0,0095A, o sea 9,5mA.

Es conveniente tener el voltímetro conectado a la resistencia Rt mientras regulas el potenciómetro para tener una idea aproximada de la corriente y no superar la máxima soportada por el LED (en este caso 46,5 ohmios x 0,02A o sea 20mA = 0,93V ).

En el ejemplo anterior de las luces blancas en el testero, haríamos una medición para encontrar la resistencia necesaria para la luz de largo alcance, y posteriormente otra medición para la que conectaríamos en serie los dos LEDs inferiores. Haríamos esta segunda medida de su correspondiente resistencia asumiendo que Vf es el doble del voltaje de un LED individual ( ¡claro, son dos LEDS! ).

Hay una precaución que debemos tomar: el voltaje inverso del LED es, normalmente, de unos 5V. Si lo conectamos con la polaridad cambiada durante las pruebas corremos el riesgo de averiarlo. Comprueba la polaridad del LED, normalmente la encontrarás en su hoja de datos. Si no estás seguro, utiliza un multímetro en posición de prueba de diodos. Un multímetro digital "ofrecerá" el polo positivo por el cable rojo y el negativo por el cable negro. Un multímetro analogico, normalmente, lo hará al reves.

Los valores del "circuito de resistencia de LEDs" que he propuesto son aproximados. Si normalmente trabajas con voltajes de más de 12-15V puedes usar una resistencia en serie superior a los 100 ohmios. Si el valor es mucho más alto ( >820 ) puedes tener alguna dificultad con el circuito cuando trabajes con 4 - 6V.

Mientras que en nuestro circuito casero no es muy importante, ya que sólo funcionará unos instantes, para comprar la resistencia definitiva a conectar a los LED debemos saber de qué potencia debe ser. Para calcularlo usaremos la ley de Watt y para el ejemplo anterior: P = I x V = 0,01A x 16,9V = 0,165W. Podría ser suficiente una resistencia de 1/4 de vatio ( 0,25W ), que es un valor de potencia muy común. Recuerda hacer este cálculo ya que si no dimensionas bien la potencia de la resistencia, ésta puede calentarse y, por ejemplo, deformar los plásticos de la locomotora. Las resistencias de 0,5W apenas son mas voluminosas que las de 0,25W y son más seguras en cuanto a la temperatura que podrían alcanzar. Así que puede ser una buena costumbre utilizar una resistencia de al menos el doble de la potencia necesaria. Para terminar deja los LEDs encendidos unos minutos y comprueba la temperatura de las resistencias una vez las hayas instalado en su sitio definitivo, antes de cerrar los vagones o locomotoras.

Si eres "curioso" puedes instalar la resistencia y el potenciómetro en una cajita de plástico típica de montajes electrónicos.

PD: El sentido de circulación de la corriente eléctrica que se ha considerado en este artículo es el sentido convencional, del polo positivo al polo negativo.

2 comentarios :

  1. Muy bueno y sobre todo. ¡Muy practico!

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Me alegro de que te resulte práctico. Gracias por tu comentario Joaquín.

      Eliminar