El principal parámetro que afecta a la vida del LED es la corriente eléctrica, cuyo valor está estrictamente regulado para cada tipo de elemento LED. Una forma habitual de limitar la corriente máxima es utilizar una resistencia limitadora. La resistencia para el LED puede calcularse sin complejos cálculos basados en la ley de Ohm, utilizando los valores técnicos del diodo y la tensión del circuito.
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Características de la conexión LED
Funcionando según el mismo principio que los diodos rectificadores, los elementos emisores de luz tienen, sin embargo, características distintivas. Los más importantes son:
- Sensibilidad extremadamente negativa a las tensiones de polaridad inversa. Un LED en un circuito que no tiene la polaridad correcta fallará casi instantáneamente.
- Rango estrecho de la corriente de funcionamiento admisible a través de la unión p-n.
- La dependencia de la resistencia de unión con la temperatura, que es una característica de la mayoría de los elementos semiconductores.
El último punto debe ser discutido con más detalle, ya que es el principal para el cálculo de la resistencia de enfriamiento. La documentación de los elementos radiantes especifica el rango admisible de corriente nominal en el que mantienen su rendimiento y proporcionan las características radiantes especificadas. La subestimación del valor no es fatal, pero dará lugar a una cierta reducción de la luminosidad. A partir de un determinado valor límite, el flujo de corriente a través de la unión se detendrá y no habrá luminiscencia.
Si se supera la corriente, inicialmente se produce un aumento de la luminosidad, pero la vida útil se reduce drásticamente. Un aumento mayor conduce al fracaso del elemento. Así, la selección de una resistencia para un LED tiene como objetivo limitar la corriente máxima admisible en las peores condiciones.
La tensión en la unión del semiconductor está limitada por los procesos físicos en la unión y se encuentra en un rango estrecho de unos 1-2V. Los diodos emisores de luz de 12 voltios que suelen llevar los coches pueden contener una cadena de elementos conectados en serie o un circuito limitador incluido en el diseño.
¿Por qué se necesita una resistencia para un LED?
Utilizar una resistencia limitadora para encender el LED no es lo más eficaz, pero sí la solución más fácil y barata para limitar la corriente dentro de los límites permitidos. Las soluciones de circuito que pueden estabilizar la corriente en el circuito emisor con gran precisión son bastante difíciles de reproducir y las soluciones disponibles son muy caras.
El uso de resistencias permite realizar la iluminación en la propia empresa. La clave está en saber utilizar los instrumentos de medición y tener un mínimo de conocimientos de soldadura. Un limitador bien diseñado, que tenga en cuenta las posibles tolerancias y fluctuaciones de temperatura, garantizará que los LEDs funcionen correctamente durante toda su vida útil declarada con un coste mínimo.
Conexión en serie y en paralelo de los LEDs
Con el fin de ajustar los parámetros de los circuitos de potencia y el rendimiento de los LEDs se ha generalizado la conexión en serie y en paralelo de varios elementos. Cada tipo de conexión tiene ventajas e inconvenientes.
Conexión en paralelo
La ventaja de este tipo de conexión es el uso de un solo limitador por circuito. Hay que decir que esta ventaja es la única, por lo que la conexión en paralelo es casi inaudita, salvo para los productos industriales de baja calidad. Las desventajas son las siguientes:
- La potencia disipada en el elemento limitador aumenta en proporción al número de LEDs conectados en paralelo.
- La variación de los parámetros de los elementos conduce a una distribución desigual de la corriente.
- La quema de uno de los emisores conduce a un fallo tipo avalancha de todos los demás debido al aumento de la caída de tensión a través del grupo conectado en paralelo.
Una conexión en la que la corriente que pasa por cada elemento radiante está limitada por una resistencia separada aumenta un poco el rendimiento. Más concretamente, se trata de una conexión en paralelo de circuitos individuales formados por LEDs con resistencias limitadoras. La principal ventaja es una mayor fiabilidad, ya que el fallo de uno o varios elementos no afecta al funcionamiento de los demás.
La desventaja es que la luminosidad de los distintos elementos puede variar mucho debido a las variaciones de los LED y a la tolerancia tecnológica del índice de resistencia. Un circuito de este tipo contiene un gran número de elementos radioeléctricos.
La conexión en paralelo con limitadores individuales se utiliza en circuitos de baja tensión a partir de una caída de tensión mínima en la unión p-n.
Conexión en serie
La conexión en serie de los elementos radiantes se ha convertido en la más utilizada porque la ventaja evidente de un circuito en serie es la igualdad absoluta de la corriente que pasa por cada elemento. Como la corriente que pasa por la resistencia de terminación única y por el diodo es la misma, la disipación de energía será mínima.
Una desventaja importante: el fallo de un solo elemento hará que toda la cadena quede inutilizada. La conexión en serie requiere una tensión más alta, cuyo valor mínimo aumenta en proporción al número de elementos conectados.
Modo mixto
Es posible utilizar un gran número de emisores haciendo una conexión mixta, utilizando varias cadenas en paralelo, y conectando una resistencia limitadora y varios LEDs en serie.
La quema de uno de los elementos hará que sólo funcione un circuito en el que esté instalado el elemento. Los demás funcionarán correctamente.
Fórmulas de cálculo de resistencias
El cálculo de la resistencia de los LEDs se basa en la ley de Ohm. Los parámetros de entrada para calcular la resistencia de un LED son:
- tensión del circuito;
- la corriente de funcionamiento del LED;
- es la caída de tensión a través del diodo emisor (tensión de alimentación del LED).
El valor de la resistencia se determina a partir de la expresión
R = U/I,
donde U es la caída de tensión a través de la resistencia e I es la corriente continua que atraviesa el LED.
La caída de tensión del LED se determina a partir de la expresión
U = Upit - Usv,
donde Upit es la tensión del circuito y Uc es la caída de tensión nominal a través del diodo emisor.
El cálculo del LED para una resistencia da un valor de resistencia que no estará en el rango de valores estándar. Toma la resistencia que más se acerque al valor calculado en el lado mayor. De esta manera se tiene en cuenta un posible aumento de la tensión. Es mejor tomar el siguiente valor de la serie de resistencias. Esto reducirá ligeramente la corriente a través del diodo y reducirá el brillo del resplandor, pero anulará cualquier cambio en la tensión de alimentación y la resistencia del diodo (por ejemplo, debido al cambio de temperatura).
Antes de seleccionar el valor de la resistencia, se debe estimar la posible reducción de la corriente y la luminosidad en comparación con el valor ajustado mediante la fórmula:
(R - Rst)R-100%.
Si el valor resultante es inferior al 5%, debe tomar una resistencia más alta, si del 5 al 10%, puede limitarse a una más pequeña.
Un parámetro igualmente importante que afecta a la fiabilidad del funcionamiento es la disipación de potencia del elemento limitador de corriente. La corriente que circula por una sección de la resistencia hará que se caliente. Se utiliza la fórmula para determinar la potencia a disipar:
P = U-U/R
Se utiliza una resistencia limitadora cuya disipación de potencia admisible superará el valor calculado.
Ejemplo:
Un LED tiene una caída de tensión de 1,7 V y una corriente nominal de 20 mA. Debe conectarse a un circuito de 12 V.
La caída de tensión a través de la resistencia limitadora es:
U = 12 - 1,7 = 10,3 V
Resistencia del resistor:
R = 10,3/0,02 = 515 ohmios.
El valor más alto más cercano en el rango estándar es 560 Ohm. Con este valor, la caída de corriente respecto a la referencia es algo inferior al 10%, por lo que no es necesario un valor superior.
Potencia disipada en vatios:
P = 10,3-10,3/560 = 0,19 W
Por lo tanto, para este circuito se puede utilizar un elemento con una disipación de potencia admisible de 0,25 W.
Cableado de las tiras LED
Las tiras LED están disponibles en diferentes tensiones de alimentación. La tira tiene un circuito de diodos en serie. El número de diodos y la resistencia de las resistencias de terminación dependen de la tensión de alimentación de la banda.
Los tipos más comunes de tiras LED están diseñados para conectarse a un circuito con una tensión de 12 V. En este caso también es posible utilizar una tensión más alta para el funcionamiento. Para calcular correctamente las resistencias, es necesario conocer la corriente que circula por una sola sección de la cinta.
El aumento de la longitud de la cinta provoca un aumento proporcional de la corriente porque las secciones mínimas están tecnológicamente conectadas en paralelo. Por ejemplo, si la longitud mínima de una sección es de 50 cm, una tira de 5 m de 10 secciones de este tipo tendrá un consumo de corriente 10 veces mayor.
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