circuito LED

En electrónica , un circuito LED o controlador LED es un circuito eléctrico utilizado para alimentar un diodo emisor de luz (LED). El circuito debe proporcionar suficiente corriente para encender el LED con el brillo requerido, pero debe limitar la corriente para evitar dañar el LED. La caída de voltaje a través de un LED encendido es aproximadamente constante en un amplio rango de corriente de funcionamiento; por lo tanto, un pequeño aumento en el voltaje aplicado aumenta considerablemente la corriente. Las hojas de datos pueden especificar esta caída como un "voltaje directo" (${\displaystyle V_{f}}$) a una corriente de funcionamiento determinada. Se utilizan circuitos muy sencillos para los LED indicadores de baja potencia. Se requieren circuitos de fuente de corriente más complejos cuando se alimentan LED de alta potencia para iluminación, a fin de lograr una regulación de corriente correcta.

El circuito más sencillo para alimentar un LED es mediante una resistencia en serie. Se utiliza comúnmente en indicadores y pantallas digitales de muchos electrodomésticos. Sin embargo, este circuito no es eficiente energéticamente, ya que la energía se disipa en la resistencia en forma de calor.

Los LED${\displaystyle V_{f}}$depende de su material . La ley de Ohm y las leyes de circuitos de Kirchhoff se utilizan para calcular el valor de resistencia apropiado, restando el valor del LED.${\displaystyle V_{f}}$a partir de la tensión de alimentación y dividiéndola por la corriente de funcionamiento deseada. Con una tensión de alimentación suficientemente alta, se pueden alimentar varios LED en serie con una sola resistencia.

Si la tensión de alimentación es cercana o igual a la del LED${\displaystyle V_{f}}$En ese caso, no se puede calcular un valor razonable para la resistencia, por lo que se utiliza algún otro método de limitación de corriente.

La relación voltaje-corriente de un LED es similar a la de cualquier diodo . La corriente es aproximadamente una función exponencial del voltaje, según la ecuación del diodo de Shockley , y una pequeña variación de voltaje puede resultar en una gran variación de corriente. Si el voltaje es inferior o igual al umbral, no circula corriente y el LED permanece apagado. Si el voltaje es demasiado alto, la corriente superará la capacidad máxima, provocando un sobrecalentamiento y, potencialmente, la destrucción del LED.

Los controladores LED están diseñados para gestionar cargas fluctuantes, proporcionando la corriente suficiente para alcanzar el brillo requerido sin permitir que circulen niveles de corriente perjudiciales. Los controladores pueden ser de corriente constante (CC) o de voltaje constante (CV). En los controladores CC, el voltaje varía mientras que la corriente permanece constante. Estos controladores se utilizan cuando la carga eléctrica del circuito LED es desconocida o fluctúa, por ejemplo, en un circuito de iluminación con un número variable de luminarias LED.

A medida que un LED se calienta, su caída de voltaje disminuye (disminución de la banda prohibida ^{[ 1 ]} ). Esto puede favorecer el aumento de la corriente.

Una fuente de corriente constante activa se usa comúnmente para LED de alta potencia, estabilizando la salida de luz en un amplio rango de voltajes de entrada, lo que puede aumentar la vida útil de las baterías. La corriente constante activa se regula típicamente mediante un MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) de modo de agotamiento , que es el limitador de corriente más simple. ^{[ 2 ]} Los reguladores de corriente constante de baja caída (LDO) también permiten que el voltaje total del LED sea una fracción mayor del voltaje de la fuente de alimentación.

Las fuentes de alimentación conmutadas (por ejemplo , convertidores reductores , elevadores y reductores-elevadores) se utilizan en linternas LED y lámparas LED domésticas . Los MOSFET de potencia se utilizan normalmente para conmutar controladores LED, lo que constituye una solución eficiente para controlar LED de alto brillo. Los circuitos integrados (CI) de potencia se utilizan ampliamente para controlar los MOSFET directamente, sin necesidad de circuitos adicionales. ^{[ 2 ]}

Las resistencias en serie son una forma sencilla de estabilizar la corriente del LED, pero se desperdicia energía en la resistencia.

Los LED indicadores en miniatura suelen alimentarse con corriente continua de bajo voltaje mediante una resistencia limitadora de corriente. Son comunes las corrientes de 2  mA, 10  mA y 20  mA. Se pueden fabricar indicadores de menos de 1 mA alimentando LED ultrabrillantes con corrientes muy bajas. La eficiencia tiende a disminuir con corrientes bajas, ^{[ 3 ]} pero los indicadores que funcionan con 100  μA siguen siendo prácticos.

En las luces LED tipo llavero alimentadas con pilas de botón , la resistencia de la propia pila suele ser el único dispositivo que limita la corriente.

Existen LEDs con resistencias en serie integradas. Estos permiten ahorrar espacio en la placa de circuito impreso y resultan especialmente útiles al construir prototipos o al utilizar una PCB de forma distinta a la prevista por el diseñador. Sin embargo, el valor de la resistencia se establece durante la fabricación, lo que elimina uno de los métodos clave para ajustar la intensidad del LED.

El valor de la resistencia en serie se puede obtener a partir de la ley de Ohm , considerando que la tensión de alimentación está compensada por la del diodo.${\displaystyle V_{f}}$, que varía poco en el rango de corrientes útiles:

${\displaystyle R={V_{power}-V_{f}-V_{witch} \over I_{led}}}$  o  ${\displaystyle I_{led}}={V_{power}-V_{f}-V_{witch} \over R}$

dónde:

${\displaystyle R}$es la resistencia (en ohmios ), que normalmente se redondea al siguiente valor de resistencia superior .

${\displaystyle V_{power}}$es el voltaje de la fuente de alimentación (en voltios ), por ejemplo, una batería de 9 voltios.

${\displaystyle V_{f}}$es la caída de tensión directa del LED (en voltios) cuando está encendido.${\displaystyle V_{f}}$y la frecuencia de la luz del LED (que percibimos como color ) aumenta con la banda prohibida de los materiales del LED . En consecuencia,${\displaystyle V_{f}}$El voltaje oscila entre aproximadamente 1,7 y 2,0 voltios para los LED rojos y entre aproximadamente 2,8 y 4,0 voltios para los LED violetas . Los LED infrarrojos (IR) suelen tener un voltaje mucho menor, como 1,2 voltios. Consulte la hoja de datos del fabricante de cada LED para determinar su voltaje.${\displaystyle V_{f}}$.

${\displaystyle V_{interruptor}}$es la caída de voltaje a través del interruptor (en voltios): (A) para ningún interruptor, use 0 voltios, (B) para interruptor mecánico, use 0 voltios, (C) para transistor BJT , use${\displaystyle V_{CE(sat)}}$Tensión de saturación colector-emisor según la hoja de datos del transistor.

${\displaystyle I_{led}}$es la corriente deseada del LED (en amperios ). La corriente máxima de encendido continuo se muestra en las hojas de datos del LED; por ejemplo, 20  mA (0,020  A) es común para la mayoría de los LED pequeños. Muchos circuitos hacen funcionar los LED con una corriente menor a la máxima especificada para ahorrar energía, reducir el brillo o usar un valor de resistencia común . Para uso en interiores, los pequeños LED de montaje superficial de alta eficiencia pueden encenderse fácilmente con 1  mA (0,001  A) de corriente, que la mayoría de las salidas lógicas digitales pueden suministrar o absorber fácilmente.

Utilizando la fórmula algebraica (arriba) y suponiendo${\displaystyle V_{interruptor}}$es 0 (para simplificar los ejemplos), la resistencia y los ejemplos de corriente se calculan de la siguiente manera:

Ejemplo 1 con${\displaystyle V_{power}}$de 12 y 9  V,${\displaystyle V_{f}}$= 1,8  V,${\displaystyle I_{led}}$= 5  mA, calcular${\displaystyle R}$:

${\displaystyle R}$= (12  V - 1,8  V) / 5  mA = (12 - 1,8) / 0,005 = 2040 ohmios, tal vez redondear a una resistencia de 2K ohmios ( valores de resistencia comunes ).

${\displaystyle R}$= (9  V - 1,8  V) / 5  mA = (9 - 1,8) / 0,005 = 1440 ohmios, tal vez redondear a una resistencia de 1,5 k ohmios.

Ejemplo 2 con${\displaystyle V_{power}}$de 5 y 3,3  V (voltajes lógicos digitales),${\displaystyle V_{f}}$= 1,8  V,${\displaystyle I_{led}}$= 1  mA, calcular${\displaystyle R}$:

${\displaystyle R}$= (5  V - 1,8  V) / 1  mA = (5 - 1,8) / 0,001 = 3200 ohmios, tal vez redondeado a una resistencia de 3,3 k ohmios.

${\displaystyle R}$= (3,3  V - 1,8  V) / 1  mA = (3,3 - 1,8) / 0,001 = 1500 ohm.

Ejemplo 3 con${\displaystyle V_{power}}$de 5  V y 3,3  V (voltajes lógicos digitales),${\displaystyle V_{f}}$= 1,8  V,${\displaystyle R}$= 1K ohm, calcular${\displaystyle I_{led}}$:

${\displaystyle I_{led}}$= (5  V - 1,8  V) / 1K ohm = (5 - 1,8) / 1000 = 0,0032  Amp, que son 3,2  mA.

${\displaystyle I_{led}}$= (3,3  V - 1,8  V) / 1K ohm = (3,3 - 1,8) / 1000 = 0,0015  Amp, que es 1,5  mA.

Normalmente, las cadenas de varios LED se conectan en serie . En una configuración, la tensión de la fuente debe ser mayor o igual que la suma de las tensiones de cada LED; por lo general, la suma de las tensiones de los LED es aproximadamente dos tercios de la tensión de alimentación. Se puede utilizar una resistencia limitadora de corriente para cada cadena.

También es posible el funcionamiento en paralelo , pero puede ser más problemático. Los LED en paralelo deben tener una coincidencia muy estrecha.${\displaystyle V_{f}}$para tener corrientes de rama similares y, por lo tanto, una salida de luz similar. Las variaciones en el proceso de fabricación pueden dificultar la obtención de un funcionamiento satisfactorio al conectar algunos tipos de LED en paralelo. ^{[ 4 ]}

Los LED suelen estar dispuestos de tal manera que cada LED (o cada cadena de LED) se puede encender y apagar individualmente.

El accionamiento directo es el método más sencillo de entender: utiliza muchos circuitos independientes de un solo LED (o de una sola cadena). Por ejemplo, se podría diseñar un reloj digital de forma que, cuando muestre "12:34" en una pantalla de siete segmentos , el reloj encienda directamente los segmentos correspondientes y los mantenga encendidos hasta que sea necesario mostrar otra información.

Sin embargo, las técnicas de visualización multiplexada se utilizan con más frecuencia que la de accionamiento directo, debido a que tienen menores costos netos de hardware. Por ejemplo, la mayoría de quienes diseñan relojes digitales los diseñan de manera que, cuando el reloj muestra "12:34" en una pantalla de siete segmentos , en cualquier instante el reloj enciende los segmentos correspondientes de uno de los dígitos; todos los demás dígitos permanecen apagados. El reloj recorre los dígitos con la suficiente rapidez como para dar la ilusión de que muestra "12:34" de forma continua durante un minuto entero. Sin embargo, cada segmento encendido se activa y desactiva rápidamente muchas veces por segundo.

Una extensión de esta técnica es el Charlieplexing, donde la capacidad de algunos microcontroladores para poner en estado de alta impedancia sus pines de salida permite controlar un mayor número de LED sin necesidad de biestables. Con N pines, es posible controlar n² ^- n LED.

El uso de la tecnología de circuitos integrados para controlar LEDs se remonta a finales de la década de 1960. En 1969, Hewlett-Packard presentó el indicador numérico HP Modelo 5082-7000, una de las primeras pantallas LED y el primer dispositivo LED en utilizar tecnología de circuitos integrados. Su desarrollo fue liderado por Howard C. Borden y Gerald P. Pighini en HP Associates y HP Labs , quienes habían participado en investigación y desarrollo (I+D) sobre LEDs prácticos entre 1962 y 1968. ^{[ 5 ]} Fue la primera pantalla LED inteligente, lo que supuso una revolución en la tecnología de pantallas digitales , reemplazando el tubo Nixie y convirtiéndose en la base de las pantallas LED posteriores. ^{[ 6 ]}

A diferencia de las bombillas incandescentes , que se iluminan independientemente de la polaridad eléctrica , los LED solo se encienden con la polaridad eléctrica correcta. Cuando la tensión en la unión pn tiene la dirección correcta, fluye una corriente significativa y se dice que el dispositivo está polarizado en directa . Si la tensión tiene la polaridad incorrecta, se dice que el dispositivo está polarizado en inversa , fluye muy poca corriente y no se emite luz. Los LED pueden funcionar con corriente alterna , pero solo se encenderán durante la mitad del ciclo de CA en la que estén polarizados en directa. Esto provoca que el LED se encienda y apague a la frecuencia de la fuente de alimentación de CA.

La mayoría de los LED tienen tensiones de ruptura inversa relativamente bajas en comparación con los diodos estándar, por lo que puede ser más fácil de lo esperado entrar en este modo y dañar el LED debido a una sobrecorriente. Sin embargo, la tensión de activación siempre es menor que la tensión de ruptura, por lo que no se requieren protecciones especiales contra la polarización inversa al alimentar un LED directamente con una fuente de alimentación de CA cuando la corriente está correctamente limitada para su funcionamiento en polarización directa.

El fabricante normalmente indicará cómo determinar la polaridad del LED en la hoja de datos del producto. Sin embargo, no existe una estandarización de las marcas de polaridad para los dispositivos de montaje superficial . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Muchos sistemas hacen parpadear los LED aplicando energía de forma periódica o intermitente. Siempre que la frecuencia de parpadeo sea superior al umbral de fusión de parpadeo humano y el LED permanezca inmóvil con respecto al ojo, parecerá que está encendido continuamente. La variación de la relación de encendido/apagado de los pulsos se conoce como modulación por ancho de pulso (PWM). En algunos casos, los controladores basados ​​en PWM son más eficientes que los controladores de corriente constante o de voltaje constante. ^{[ 3 ] [ 9 ]}

La mayoría de las hojas de datos de los LED especifican una corriente continua máxima segura para el funcionamiento continuo. A menudo, también especifican una corriente pulsada máxima más alta que es segura para pulsos breves, siempre que el controlador del LED mantenga el pulso lo suficientemente corto y luego desconecte la alimentación del LED el tiempo suficiente para que este se enfríe.

Además de la emisión, un LED puede utilizarse como fotodiodo en la detección de luz . Esta capacidad puede emplearse en diversas aplicaciones, como la detección de luz ambiental y las comunicaciones bidireccionales. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Como fotodiodo, un LED es sensible a longitudes de onda iguales o inferiores a la longitud de onda predominante que emite. Por ejemplo, un LED verde es sensible a la luz azul y a cierta cantidad de luz verde, pero no a la luz amarilla ni a la roja.

Esta implementación de LEDs puede agregarse a los diseños con solo pequeñas modificaciones en el circuito. ^{[ 10 ]} Un LED puede multiplexarse ​​en dicho circuito, de modo que pueda usarse tanto para emisión de luz como para detección en diferentes momentos. ^{[ 10 ] [ 12 ]}

• Ladrón de julios : alimentar un LED usando  una batería de 1,5 V y un circuito elevador de voltaje.
• Relación de Planck-Einstein : relación entre la banda prohibida y la frecuencia del fotón.
• Ecuación del diodo de Shockley : relación entre la tensión directa y la corriente.

• Calculadora de resistencias LED