Los LEDs aparentemente son componentes sencillos de usar y basta con conectar un resistor en serie para garantizar la emisión de luz a un nivel deseado. Sin embargo, la cosa no es tan simple y el cálculo del circuito de excitación de LED puede ir mucho más allá de la aplicación de la Ley de Ohm o algo parecido. Sobre la base de la información del "Optoelectronics, Theory and Practice" de Texas Instruments, mostramos en este artículo los principales tipos de cálculos para proyectos que involucran LED.
Los LED se comportan como diodos, presentando una baja resistencia cuando se polarizan en el sentido directo. Además, la tensión de polarización directa de los LED (Vf) varía mucho de dispositivo a dispositivo y con la temperatura dificultando aún más su uso directo.
Todo esto significa que los LED se deben excitar por circuitos que tengan una elevada resistencia interna.
Diversas son las soluciones prácticas que tenemos para alimentar LEDs a partir de circuitos de corriente continua.
LAS SOLUCIONES PRÁCTICAS
El caso más simple de excitación de LEDs utiliza una fuente de tensión mucho más alta (Vb) que la necesaria la excitación de los LED, fijando la corriente circulante en el componente por un resistor en serie Rv, como muestra la figura 1.
Una manera más sofisticada de hacer la excitación del LED, sin embargo hace uso de una fuente de corriente constante como muestra la misma figura 1 en (b).
Analizamos los casos específicamente con los cálculos de los componentes.
a) Operación con resistencia en serie
Una fuente de tensión, como por ejemplo una batería en serie con una resistencia es una fuente simple de corriente. En este caso, las fluctuaciones de la tensión de trabajo causan una variación correspondiente en la corriente continua IF y consecuentemente en la potencia irradiada del diodo.
En la figura 2 tenemos curvas que muestran el efecto de la resistencia en serie Rv en las características directas de los diodos emisores de luz (LED).
Se observa que las tensiones de trabajo más altas y las resistencias más altas en serie causan menores variaciones de potencia cuando se producen variaciones en la tensión de entrada.
En la práctica Rv se determina por la tensión predeterminada de trabajo del circuito.
En la figura 3 mostramos circuitos típicos de excitación de LED con valores de los resistores para las corrientes indicadas.
b) Operación con fuente de corriente constante:
Utilizando una fuente de corriente constante en la alimentación de un LED tenemos algunas ventajas en el rendimiento. Por ejemplo, en este caso, las variaciones de la tensión de trabajo no tienen efecto en la corriente continua IF en el LED y por lo tanto en la potencia luminosa.
Los transistores bipolares y transistores de efecto de campo se pueden utilizar para la elaboración de fuentes de corriente constante relativamente simple.
Para el caso específico de los transistores de efecto de campo, podemos partir de la curva característica de este componente mostrada en la figura 4.
En la parte izquierda del gráfico vemos que la banda de resistencia, la corriente de salida Ids está fuertemente afectada por la tensión Vds aplicada entre el terminal de drenaje y fuente.
En la parte derecha del gráfico, el rango de corrientes de saturación, la corriente de salida Ids sólo varía ligeramente como función de la tensión aplicada entre el drenaje y la fuente (Vds).
Utilizando un circuito con componentes de este tipo es sólo necesario tener cuidado para que el transistor opere en esta banda bajo cualquier condición.
Tomemos por ejemplo los circuitos mostrados en la figura 5.
Para estos circuitos son necesarios transistores de efecto de campo con una característica de 5 a 20 mA / V y tensión de pinchoff entre 5 y 7 volts.
Las corrientes de 5 a 40 mA, que son necesarias para excitar los LED de baja potencia, la tensión necesaria de polarización de conducto Vgs estará entre 0 y 5 voltios.
En los dos circuitos es necesario que la tensión de polarización Vgs sea obtenida automáticamente a través de la resistencia en el terminal de fuente.
La corriente deseada en el diodo puede ajustarse exactamente por el trimpot de 250 ohms.
En vista de la caída de tensión en el trayecto drenaje-fuente, que a veces es elevada, la pérdida de potencia en el transistor puede llegar a ser grande, lo que limita sus aplicaciones a corrientes de 40 mA aproximadamente.
Las fuentes de corriente constante utilizando transistores bipolares también se pueden hacer con cierta facilidad.
En este caso, se debe conectar la base del transistor a una fuente de tensión de polarización separada que se estabilice con diodo zener, como muestra la figura 6.
En los circuitos de este tipo se pueden conectar LEDs en serie. La corriente en el diodo se calcula mediante la siguiente fórmula:
IF = IC ≈ IE
IF = ( VZ - VBE ) / RE
IF = ( 6,8 – 0,17 ) / 270
IF = 22,6 mA
Cuando se diseñan estos circuitos se debe tener cuidado para que el transistor opere en la región de saturación (Vce Vbe).
El número máximo de diodos que pueden ser alimentados por el terminal del colector (n) se calcula de acuerdo con la siguiente fórmula:
VB ≥ VF + VCEmin + **VE
n ≤ ( VB - Vcemin ) / UF = (24 – 0,7 – 6,1 ) / 1,6
n ≤ 10
Siguiendo estas fórmulas pueden ser elaboradas fuentes de corriente constante simple a partir de dos transistores. En este caso, la corriente es nuevamente determinada por la resistencia del emisor RE. Ver figura 7.
La tensión base emisor Vbe en el transistor T1 que sirve al mismo tiempo como tensión de referencia mide la caída de tensión en la resistencia de emisor y excita el transistor T2. En este caso, la corriente en el diodo se calcula mediante la siguiente fórmula:
IF ≈ IE2 = VBE1 / **RE = 0,65 / 12 = 54 mA
Si los LEDs operan en equipos que están sujetos a grandes fluctuaciones de tensión es interesante estabiliza la tensión de alimentación.
En este caso, los LED deben ser alimentados en paralelo, según el circuito mostrado en la figura 8.
Con el fin de garantizar una correcta división de la corriente para cada LED, cada uno de ellos posee su propia resistencia conectada en serie.
La corriente en los LED (IF) está determinada por la tensión de emisor del transistor y por la resistencia en serie Rv que será calculada por la siguiente fórmula:
IF = ( VZ - VBE - VF ) / RV
IF = ( 6,2 – 1,5 – 1,6 ) / 120
IF = 25,8 mA
Teniendo en cuenta que en este circuito todos los ánodos de los LEDs están en el potencial de tierra, si es necesario ellos pueden ser hasta montados en radiadores de calor sin necesidad de aislamientos.
Controlador a partir de circuitos lógicos
En los circuitos digitales, los LED se deben conmutar desde el estado ON a OFF (HI a LO) comandados por señales digitales. En este caso, los circuitos deben estar diseñados de tal forma que las señales digitales puedan ser usadas directamente. El circuito de la figura 9 es un ejemplo que permite la excitación de LED por salidas TTL.
El diodo se conecta al circuito mostrado en el transmisor del transistor. Por lo tanto, debe existir en la base del transistor una tensión de al menos para que fluya corriente por el LED:
Vb = VF + Vbe = 1,6 + 0,7 = 2,3 V
La tensión correspondiente de entrada, antes de los diodos D1 y D2 debe ser entonces:
V1 = Vb - Vd = 2,3 - 0,7 = 1,6 V
Dado que en los circuitos TTL, VILmax es menor que 0,8 V y VIHmin es mayor que 2,9 V, el circuito es perfectamente compatible con esta tecnología. La corriente continua en el diodo se calcula mediante la siguiente fórmula:
IF = IC + IB
Teniendo en cuenta que Ic Ib, el cálculo puede simplificarse para:
IF = (VB - VCEsat - Vf ) / RV
IF = (5 – 0,3 – 1,6) /180
IF = 20,6 mA
Para excitar el transistor con la menor corriente posible, dentro de lo permitido por la región de saturación, el cálculo se basa en una ganancia de corriente hfe 30.
A continuación, RB = 3,9 k ohms, y la corriente de entrada del circuito se limita a un valor inferior a 1 mA lo que corresponde a un fan-in = 1.
De la misma forma, se pueden elaborar circuitos compatibles con otras familias lógicas.
En la figura 10 tenemos un ejemplo de circuito diseñado para excitar elementos de la familia HIL300. En vista de la posibilidad de admitir grandes fluctuaciones de la tensión de trabajo (en este caso Vb-10,5 a 16,5V), no es necesario ajustar la corriente en el LED por medio de una resistencia en serie.
El circuito de la figura 10 es similar al de la figura 7. El diodo zener en la entrada del circuito adapta la tensión del umbral Vth en la entrada a los valores correspondientes de la familia lógica y se calcula por:
Vth = Vre + Vbe2 + Vd3- Vd1 / 2
Vth = 0.7 + 0,7 + 6,2 - 0,7 = 6,9 V
La corriente máxima posible en el diodo está determinada por la pérdida de potencia en el transistor:
IFmax = PVmax / (VBmax - RRE - VF)
IF = 0,8 / (16,5 – 0,7 – 1,6)
IF = 56 mA
La resistencia de emisor es entonces:
RE = VBE1 / IF
RE = 0,7 / 0,056
RE = 12,5 ohms
De la misma forma, los LED se pueden excitar directamente a través de circuitos integrados TTL. Los tipos 7416 y 7417 pueden proporcionar una corriente de salida de 40 mA que son particularmente apropiados para esta aplicación. En este caso, la corriente está determinada una vez más por el resistor en serie como muestra la figura 11.
La corriente se calcula mediante la fórmula:
IF = (VCC - VOL - VF) / RV
IF = (5 – 0,7 – 1,6) / RV
RV = 2,7 / IF
En principio, también es posible conectar LEDs entre la salida del integrado y la tierra, si el circuito posee una salida inversora totem-pole), como muestra la figura 12.
La corriente es entonces determinada por la arquitectura interna del circuito integrado.
En la figura 13 mostramos parte del circuito de la puerta 74LS37N que determina la corriente de salida.
La corriente a través del LED se calcula ahora mediante la siguiente fórmula:
IF = (VCC - VCEsat1 - VBE2 - VF ) / R
IF = (5 – 0,3 – 0,7 – 1,8) / 100
IF = 0,124
IF = 124 mA
De nuevo, dos puntos importantes deben ser observados en este circuito: primero, las tolerancias de la resistencia R que es del 30% de tal modo que los valores sólo pueden ser alcanzados con dificultad. En segundo lugar, la potencia máxima de disipación permitida para el CI es de 60 mW (envoltura de 14 pines).
Se pueden utilizar series de corrientes más altas.
