Cálculo de circuitos con diodos LED

Artículos prácticos

Casi todo el mundo sabe de que se trata cuando se habla de diodos LED, esos pequeños componentes electrónicos que tienen la facultad de iluminarse cuando son atravesados por una corriente eléctrica. Además de que algunos modelos pueden llegar a desarrollar un considerable nivel lumínico el gasto energético que ocasionan es muy pequeño, por lo que en la actualidad ya han aparecido infinidad de lámparas domésticas basadas en ellos para casi todo tipo de aplicaciones.

Sin embargo, y centrándonos en los diodos LED estándar de 3 y de 5 milímetros usados en electrónica, muchos son los que se preguntan como se conectan a una pila o a una fuente de alimentación, quizás para usarlo como testigo de funcionamiento de algún equipo, o para hacer algún trabajo manual del colegio.

Hemos oido comentarios de todo tipo al respecto. Algunos dicen que el LED se conecta a la pila sin más, ya que piensan que funcionan con un determinado voltaje, algo parecido a las lamparitas de las linternas. Otros piensan que hay que poner dos o tres diodos más en serie, porque de lo contrario pueden "fundirse". Algunos no concretan y dicen que además del diodo LED y la pila o batería, el circuito debe de incorporar algún otro componente que lo proteja. ¿Que crees tu?.

El presente artículo tratará de arrojar luz sobre este tema, el cual en muchas ocasiones no está claro en la mente de algunos.

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Aunque para conocer el procedimiento de conexión de un diodo LED a una batería no nos hará falta, sin embargo en un principio aclararemos como produce su luz este componente electrónico. Esto lo entenderás mejor cuando estudiemos los semiconductores, por lo que ahora no vamos a profundizar en ello. Solo tocaremos el tema superficialmente dejando para más adelante el verdadero estudio de estos dispositivos.

COMO PRODUCE LUZ UN LED
En la conducción electrónica de cualquier diodo o dispositivo semiconductor intervienen dos portadores de carga diferentes. A uno de ellos ya lo conocemos, son los famosos "electrones" los cuales tienen carga negativa.

Por otra parte están los "huecos" que, sin ser una partícula elemental como el electrón, se le considera como tal, aunque a nuestro entender sería mucho mejor llamarle pseudo-partícula dada su naturaleza.

Dichos huecos son los espacios vacíos que han quedado en aquellos átomos de la estructura cristalina del semiconductor que han perdido electrones, normalmente en su última órbita. Teniendo en cuenta que un hueco es la ausencia de un electrón, se considera que su carga es positiva.

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La corriente electrónica en el interior de un semiconductor, por lo tanto, está formada por un desplazamiento de electrones en un sentido y, al mismo tiempo, un desplazamiento de huecos en sentido contrario al de electrones. Esto último no necesariamente indica la existencia de electrones libres en el cristal semiconductor, como veremos en artículos posteriores.

Ahora sería bueno recordar lo que dice la "ley de conservación de la energía", la cual estudiamos en su momento en otro de nuestros artículos: "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma". Ten presente esta enunciado en los próximos párrafos.

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Cuando aplicamos un campo eléctrico (que es una forma de energía) a un semiconductor y por ello un electrón logra "escapar" de su átomo, dicho electrón comienza a moverse buscando el hueco más próximo en la estructura del material, y pasa a tener un nivel de energía superior al que tenía cuando estaba "ligado" a su átomo. Se puede decir que hemos transmitido a ese electrón parte de la energía del campo eléctrico aplicado al material semiconductor, y por ello el electrón se mueve.

Por lo contrario, cuando ese electrón encuentra un hueco en otro átomo y lo ocupa (a esto se llama recombinación), cesa su movimiento y pierde la energía que ganó en un principio. En ese momento la energía que tenía el electrón no vuelve al campo eléctrico aplicado al material semiconductor, sino que se transforma en calor y en luz.

En un diodo rectificador normal solo notamos el calor, ya que el material semiconductor del que está fabricado (generalmente silicio) es opaco (no transparente) y la luz generada no se irradia al exterior. Además, el diseño de la unión de los contactos externos del rectificador con el material semiconductor no está pensada para dejar escapar esta luz al exterior.

Sin embargo, el caso del diodo LED es completamente distinto. Para su fabricación se usan otros materiales más adecuados al caso como el galio, el arsénico, el fósforo e incluso el aluminio. Para los azules se han conseguido buenos resultados con el carburo de silicio. Todos estos materiales tienen la facultad de ser transparentes y dejar pasar la luz.

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Además, los diodos LED se construyen de tal manera que la unión de sus contactos externos con la pastilla de material semiconductor no se interpongan en el camino de la luz generada en el interior de la estructura cristalina.

El color de la luz emitida por un LED depende exclusivamente del tipo de material empleado en su fabricación. Uno de los últimos colores de luz desarrollado fué el azul, a finales de los años 90, y con él se consiguió el diodo LED de luz blanca por combinación aditiva con el amarillo, creado mucho antes.

COMO SE CONECTA UN LED A UNA BATERÍA
La intensidad de corriente con la que en circunstancias normales funciona un LED estándar es de entre 10 y 20 mA. La caída de tensión que soporta el LED para estas intensidades de corriente varía según el color de la luz que emite y el tipo del componente, estando normalmente entre 1,7 y 4,0 voltios para los más habituales. Lo mejor es consultar las características del fabricante o importador del componente concreto que queremos utilizar. Hemos incluido una interesante información al respecto en la zona de descargas.

En muchas ocasiones esto no es posible, por lo que hay que echar mano del sentido común y usar valores lógicos que nos permitan dar un uso normal al diodo, sin peligro de que lo hagamos "arder". Primeramente, si no conocemos la intensidad de corriente exacta que requiere el LED tenemos que partir de un término medio, es decir, ni 10 ni 20 mA, sino que vamos a usar 15mA.

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Ahora debemos averiguar la caída de tensión en el LED. Para esto si que sería muy bueno que bajaras la información a la que nos hemos referido antes de la zona de descargas. En ella indicamos las tensiones de funcionamiento de los LEDs más habituales, además de otros datos de interés. No obstante, podemos decir que para los LED estándar de luminosidad normal, no los de alta luminosidad, esta tensión ronda los 2V.

Ahora que ya tenemos los datos necesarios vamos a hacer los cálculos, siempre asumiendo que los resultados obtenidos pueden no ser del todo exactos, aunque si aproximados. Partimos de la base de que un LED estándar necesita una tensión de 2V y la intensidad de corriente que consume es de 15 mA. Alguien puede decir: "Problema solucionado. Cogemos una pila de 2V y se la ponemos al diodo... ¡y ya está!... consumirá de la pila los 15mA que necesita". ¡Muy listo...!. Si señor... ¡Vaya mente prodigiosa!.

Lamentablemente, en la mayoría de las aplicaciones prácticas no disponemos de 2V, ni en forma de pila, ni en forma de batería, ni en forma de fuente de alimentación.

Es posible que solo dispongamos de un alimentador de 12V, o quizás la fuente de alimentación de nuestro equipo sea de 24V o más.

Por lo tanto es necesario el uso de una resistencia limitadora en serie con el LED, para que ésta se quede con la tensión sobrante y fije la intensidad de corriente del circuito a 15mA. Supongamos que la tensión de la batería de que disponemos es de 12V. Mira la ilustración adjunta.

Si ponemos la distribución de los componentes de otra manera es posible que entiendas mejor lo que tenemos que explicar ahora. Fíjate en el esquema siguiente.

En él hemos instalado dos voltímetros que nos indican la tensión que debe haber en cada componente, tanto en la resistencia como en el diodo. Además, también hemos instalado un miliamperímetro que nos indica la intensidad de corriente a través del circuito.

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La tensión de 12V de la batería ha de repartirse entre la resistencia y el diodo según la proporción que se indica en el esquema. La caída de tensión en la resistencia limitadora ha de ser de 10V, para que el resto, que son 2V, esté en el diodo. Además, la intensidad de corriente a través del circuito ha de ser de 15mA. Con esto tenemos todos los datos precisos para calcular el valor de la resistencia limitadora. Se impone ahora el uso de la ley de Ohm. ¿Recuerdas las fórmulas de la ley de Ohm?.

Concretamente la que nos interesa dice que el valor de la resistencia en ohmios es igual a la tensión en voltios que existe en sus bornes dividido por la intensidad de corriente en amperios que la recorre.

Eso supone que tendríamos que dividir 10 voltios entre 0,015 amperios. Esta operación nos dice que el valor de la resistencia ha de ser 666 ohmios. Como 666 ohmios no es un valor estándar, elegimos el más cercano, que resulta ser 680 ohmios. Este sería el valor correcto de la resistencia a utilizar.

Si la tensión de que disponemos fuera de 5 voltios, el valor de la resistencia tendría que ser de 200 ohmios (220 valor estándar), que es el valor resultante de dividir 3 voltios (caida de tensión en la resistencia) entre 0,015 amperios (corriente a través del circuito).

Un último ejemplo; si la tensión de nuestra batería fuese de 18 voltios, el valor de la resistencia sería de 1066 ohmios (1200 valor estándar). Este a su vez es el valor resultante de dividir 16 voltios (caida de tensión en la resistencia) entre 0,015 amperios (corriente a través del circuito).

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Si aún no te ha quedado claro, pronto colocaremos un videotutorial en la zona de descargas para que puedas ver el circuito funcionando sobre el terreno. Recuerda que el cálculo y diseño de circuitos electrónicos no suele arrojar casi nunca resultados exactos debido en parte a las tolerancias de los componentes usados, debiendose conseguir afinar el valor de los mismos en base a la experimentación.

Finalmente, un consejo para aquellos aficionados a la pesca nocturna que desean usar un diodo LED como señalizador en el puntero de su caña. Muchos utilizan una pila de litio de 3V del tipo CR2032, y le conectan directamente el LED sin que medie ninguna resistencia limitadora entre ambos.

Decirles que, aunque esta forma de conexión no es muy ortodoxa, ya que siempre conviene proteger el LED de algún modo, los diodos más adecuados para usarlos de esta manera son los de alta luminosidad de color blanco, azul y verde. Si se usan de otro color o los del tipo estándar de luminosidad normal, se correrá el riesgo de destruir el LED ya que su tensión de trabajo es más baja que los 3V que ofrece la CR2032.

 
C O M E N T A R I O S   
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RE: Cálculo de circuitos con diodos LED

#4 manolos salinas » 17-12-2017 05:01

m :plup: :plup: uy bien explicado, gracias.

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Sr.

#3 Ronnie Bello » 21-09-2017 01:42

Hola profe, como siempre su información es muy completa y sobretodo concisa, excelente para principiantes como yo ....

:plup:

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RE: Cálculo de circuitos con diodos LED

#2 Miguel Ángel García » 02-03-2017 03:33

Qué valor de resistencia tengo que poner a un led para alimentarlo a 24 voltios

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Cálculo con circuitos LED

#1 Edison » 05-07-2016 05:54

Felicitaciones desde Chile muy interesante y gracias por compartir conocimiento .

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Muchas gracias de antemano por tu colaboración.

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