Circuito LED

En electrónica , un circuito LED o controlador LED es un circuito eléctrico que se utiliza 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 en gran medida la corriente. Las hojas de datos pueden especificar esta caída como un "voltaje directo" ( ) en una corriente de funcionamiento particular. Se utilizan circuitos muy simples para LED indicadores de baja potencia. Se requieren circuitos de fuente de corriente más complejos cuando se impulsan LED de alta potencia para iluminación para lograr una regulación de corriente correcta.$Estilo de visualización V_ {f}$

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

Los LED dependen de su material . La ley de Ohm y las leyes de circuitos de Kirchhoff se utilizan para calcular el valor de resistencia adecuado, restando los LED de la tensión de alimentación y dividiendo por la corriente de funcionamiento deseada. Con una tensión de alimentación suficientemente alta, se pueden alimentar varios LED en serie con una resistencia.$Estilo de visualización V_ {f}$ $Estilo de visualización V_ {f}$

Si el voltaje de suministro es cercano o igual al del LED , entonces no se puede calcular un valor razonable para la resistencia, por lo que se utiliza algún otro método de limitación de corriente.$Estilo de visualización V_ {f}$

Las características de voltaje versus corriente de un LED son similares a las de cualquier diodo . La corriente es aproximadamente una función exponencial del voltaje según la ecuación del diodo Shockley , y un pequeño cambio de voltaje puede resultar en un gran cambio en la corriente. Si el voltaje es menor o igual al umbral, no fluye corriente y el resultado es un LED apagado. Si el voltaje es demasiado alto, la corriente superará el valor nominal máximo, sobrecalentando y potencialmente destruyendo el LED.

Los controladores LED están diseñados para manejar cargas fluctuantes, proporcionando suficiente corriente para lograr el brillo requerido sin permitir que fluyan niveles dañinos de corriente. Los controladores pueden ser de corriente constante (CC) o de voltaje constante (CV). En los controladores CC, el voltaje cambia mientras que la corriente permanece igual. Los controladores CC se utilizan cuando la carga eléctrica del circuito LED es desconocida o fluctúa, por ejemplo, un circuito de iluminación donde se puede instalar una cantidad variable de luminarias LED.

A medida que un LED se calienta, su caída de voltaje disminuye (disminución de la brecha de banda ^[1] ), lo que puede hacer que la corriente aumente.

Una fuente de corriente constante activa se utiliza comúnmente para LED de alta potencia, estabilizando la salida de luz en un amplio rango de voltajes de entrada, lo que podría aumentar la vida útil de las baterías. La corriente constante activa se regula típicamente utilizando un MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en 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 más alta del voltaje de la fuente de alimentación.

Las fuentes de alimentación conmutadas (por ejemplo, convertidores buck , boost y buck-boost) se utilizan en linternas LED y lámparas LED domésticas . Los MOSFET de potencia se utilizan normalmente para conmutar controladores de LED, lo que es una solución eficiente para controlar LED de alto brillo. Los chips de circuitos integrados (CI) de potencia se utilizan ampliamente para controlar los MOSFET directamente, sin la 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 normalmente se alimentan con CC de bajo voltaje a través de una resistencia limitadora de corriente. Las corrientes de 2 mA, 10 mA y 20 mA son comunes. Los indicadores sub-mA se pueden fabricar alimentando LED ultra brillantes con una corriente muy baja. La eficiencia tiende a reducirse con corrientes bajas, ^[3] pero los indicadores que funcionan con 100 μA siguen siendo prácticos.

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

Existen LED con resistencias en serie incorporadas. Estas pueden ahorrar espacio en la placa de circuito impreso y son especialmente útiles cuando se construyen prototipos o se llena una PCB de una manera distinta a la prevista por sus diseñadores. Sin embargo, el valor de la resistencia se establece en el momento de la fabricación, lo que elimina uno de los métodos clave para establecer 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 , que varía poco en el rango de corrientes útiles:$Estilo de visualización V_ {f}$

${\displaystyle R={V_{potencia}-V_{f}-V_{conmutador} \sobre I_{led}}}$   o   ${\displaystyle I_{led}}={V_{potencia}-V_{f}-V_{interruptor} \over R}$

dónde:

${\estilo de visualización R}$es la resistencia en ohmios , normalmente redondeada al siguiente valor de resistencia más alto .

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

$Estilo de visualización V_ {f}$es la caída de tensión directa del LED en voltios cuando está encendido y la frecuencia de la luz del LED (que percibimos como color ) aumenta con la brecha de banda de los materiales del LED . En consecuencia, varía de aproximadamente 1,7 a 2,0 voltios para los LED rojos a aproximadamente 2,8 a 4,0 voltios para los LED violetas .$Estilo de visualización V_ {f}$$Estilo de visualización V_ {f}$

${\displaystyle V_{cambio}}$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 el voltaje de saturación de colector-emisor de la hoja de datos del transistor.${\displaystyle V_{CE(sat)}}$

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

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

Ejemplo 1 con 9 V, = 1,8 V, = 5 mA:${\displaystyle V_{potencia}}$$Estilo de visualización V_ {f}$${\displaystyle I_{led}}$

${\estilo de visualización R}$= (9 V - 1,8 V) / 5 mA = (9 - 1,8) / 0,005 = 1440 ohmios, luego redondee a una resistencia de 1,5 K ohmios (según los valores de resistencia comunes ).

Ejemplo 2 con 5 V, = 1,8 V, = 1K ohm:${\displaystyle V_{potencia}}$$Estilo de visualización V_ {f}$${\estilo de visualización R}$

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

Las cadenas de varios LED se conectan normalmente en serie . En una configuración, el voltaje de la fuente debe ser mayor o igual que la suma de los voltajes de los LED individuales; normalmente, los voltajes de los LED suman alrededor de dos tercios del voltaje de suministro. Se puede utilizar una única resistencia limitadora de corriente para cada cadena.

También es posible el funcionamiento en paralelo , pero puede ser más problemático. Los LED en paralelo deben coincidir estrechamente para tener corrientes de derivación similares y, por lo tanto, una salida de luz similar. Las variaciones en el proceso de fabricación pueden dificultar el funcionamiento satisfactorio al conectar algunos tipos de LED en paralelo. ^[4]$Estilo de visualización V_ {f}$

Los LED suelen estar dispuestos de manera tal 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, una persona podría diseñar un reloj digital de modo que cuando el reloj muestre "12:34" en una pantalla de siete segmentos , el reloj encienda directamente los segmentos apropiados y los deje encendidos hasta que sea necesario mostrar algo más.

Sin embargo, las técnicas de visualización multiplexada se utilizan con más frecuencia que las de accionamiento directo, porque tienen menores costos netos de hardware. Por ejemplo, la mayoría de las personas que diseñan relojes digitales los diseñan de tal manera que cuando el reloj muestra "12:34" en una pantalla de siete segmentos , en cualquier instante el reloj enciende los segmentos apropiados de uno de los dígitos, mientras que todos los demás dígitos están oscuros. El reloj escanea los dígitos con la suficiente rapidez como para dar la ilusión de que está mostrando "constantemente" "12:34" durante un minuto entero. Sin embargo, cada segmento "encendido" en realidad se enciende y apaga rápidamente muchas veces por segundo.

Una extensión de esta técnica es Charlieplexing , en la que la capacidad de algunos microcontroladores de conectar en tres estados sus pines de salida significa que se pueden controlar una mayor cantidad de LED sin utilizar pestillos. Para N pines, es posible controlar n ² -n LED.

El uso de la tecnología de circuitos integrados para controlar los LED 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 que utilizaba tecnología de circuitos integrados. Su desarrollo estuvo a cargo de Howard C. Borden y Gerald P. Pighini en HP Associates y HP Labs , quienes se habían dedicado a la investigación y el desarrollo (I+D) de LED prácticos entre 1962 y 1968. ^[5] Fue la primera pantalla LED inteligente, lo que la convirtió en una revolución en la tecnología de pantallas digitales , reemplazando al tubo Nixie y convirtiéndose en la base de las pantallas LED posteriores. ^[6]

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

La mayoría de los LED tienen valores nominales de voltaje de ruptura inversa relativamente bajos en comparación con los diodos estándar, por lo que puede ser más fácil de lo esperado entrar en este modo y causar daños al LED debido a una sobrecorriente. Sin embargo, el voltaje de conexión siempre es menor que el voltaje de ruptura, por lo que no se necesitan protecciones inversas especiales cuando se alimenta un LED directamente desde una fuente de CA cuando la corriente está correctamente limitada para el funcionamiento con 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 en superficie . ^{[7] [8]}

Muchos sistemas encienden y apagan los LED mediante pulsos, aplicando energía de manera periódica o intermitente. Mientras la tasa de parpadeo sea mayor que el umbral de fusión de parpadeo humano y el LED esté estacionario en relación con el ojo, el LED parecerá estar 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 voltaje constante. ^{[3] [9]}

La mayoría de las hojas de datos de los LED especifican una corriente CC máxima que es segura para el funcionamiento continuo. A menudo, 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 apague el LED el tiempo suficiente para que el LED se enfríe.

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

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

Esta implementación de LED se puede agregar a los diseños con solo modificaciones menores en los circuitos. ^[10] Un LED se puede multiplexar en un circuito de este tipo, de modo que se pueda usar tanto para emisión de luz como para detección en diferentes momentos. ^{[10] [12]}

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Circuitos de diodos emisores de luz .

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

• Calculadora de resistencias LED