Hola y bienvenidos a nuestro tutorial donde echaremos un vistazo a todas las cosas LED. Ahora, en primer lugar, ¿qué es un LED? LED significa Diodo Emisor de Luz y es un componente electrónico utilizado para convertir la energía eléctrica en energía luminosa. Este proceso se llama electroluminiscencia. La tecnología LED nos rodea, los indicadores de la electrónica de consumo, las luces de freno de los automóviles, las pantallas de televisión… casi todos los productos electrónicos utilizan LEDs de alguna forma. El uso generalizado de la tecnología LED se debe a su eficiencia energética, su forma compacta, su robustez y su facilidad de uso en comparación con las formas tradicionales de iluminación. Ahora que sabemos que son útiles, ¿cómo funcionan realmente?
En este artículo, utilizaremos la teoría y los términos básicos de la electrónica, así que si no estás familiarizado con la ley de Ohms, el voltaje, la corriente y otros términos similares, lee primero nuestro Curso acelerado de electrónica analógica.
Principio de funcionamiento de los LED
Un LED, como su nombre indica, es un tipo especial de diodo, que emite energía electromagnética (luz) cuando se activa. No vamos a entrar en los detalles físicos de la tecnología de los semiconductores, pero un diodo está formado por una unión P-N. Una unión P-N está formada por dos materiales semiconductores, uno de los cuales está procesado («dopado») para tener un gran número de electrones (N de negativo, ya que los electrones son partículas con carga negativa), y el otro está dopado para tener menos electrones, o «agujeros», donde faltan los electrones (P de positivo, ya que la ausencia de electrones crea una carga positiva). Cuando una corriente pasa por esta unión, los electrones saltan del lado N al lado P para rellenar los agujeros a medida que los electrones se mueven por el circuito y, cuando los electrones cruzan este hueco, se desprende energía (en el caso de los LED, energía luminosa). La física de bajo nivel es un poco más complicada que eso, pero basta con decir que se puede controlar la longitud de onda de la energía emitida (la longitud de onda corresponde a un color de luz visible) alterando la construcción del LED y los materiales utilizados para crear la unión P-N.
Por User:S-kei – File:PnJunction-LED-E.PNG, CC BY-SA 2.5
Hablando de colores, los LEDs están disponibles en una gran variedad de colores, formas, tamaños e intensidades (brillo), sin embargo, algo que suele confundir a la gente es por qué los LEDs azules suelen ser más caros que otros colores de LED. Esto se debe a que, mientras que colores como el rojo, el verde y los LEDs infrarrojos existen desde hace casi medio siglo, los LEDs azules sólo existen desde hace una o dos décadas porque requieren un material y un proceso de construcción diferentes (nitruro de galio GaN). Sin embargo, hoy en día se puede conseguir casi cualquier color de LED, incluidos los de espectro no visible, como los infrarrojos (como los que se utilizan en los mandos a distancia) y los ultravioletas.
Construcción de un LED
Un LED es un dispositivo bastante sencillo, consiste en un cuerpo de epoxi (transparente o de color) con el dado semiconductor en el centro unido a dos cables. Los dos conductores de un diodo se conocen como ánodo y cátodo. El ánodo del LED es el cable positivo y el cátodo es el cable negativo. En los LEDs de agujero pasante estándar, el cuerpo tendrá un borde aplanado en un lado, el cable de este lado es el cátodo y suele ser también el cable más corto. Los LED, al igual que los diodos, son dispositivos polarizados, lo que significa que sólo permiten que la corriente fluya en una dirección. Si insertas un LED en tu circuito de forma incorrecta, no se romperá, simplemente no se iluminará.
Por Inductiveload – Trabajo propio del uploader, dibujado en Solid Edge e Inkscape, Dominio público
Así que está bien saberlo y todo, pero ¿cómo se hace realmente para usar los LEDs? Echemos un vistazo.
Usando LEDs
Aunque hay muchos tipos diferentes de LEDs para diferentes aplicaciones, incluyendo la iluminación del automóvil y del hogar, hoy vamos a centrarnos específicamente en los tipos de LEDs estándar utilizados en la electrónica. Estos LEDs están disponibles en varias formas como paquetes de agujeros pasantes de 10mm-3mm, y paquetes SMD, sin embargo, el principio es el mismo. Cuando se utilizan LEDs, hay dos características importantes que hay que tener en cuenta para que funcionen correctamente. Como los LEDs no son más que un tipo especial de diodo, muchos de los principios discutidos aquí también se aplican a los diodos.
By Afrank99 – Own work, CC BY-SA 2.0
Tensión de avance:
Para que un LED emita luz, es necesario aplicar una determinada tensión a través del LED. Esto se conoce como el «voltaje de avance», o dicho de otro modo, el LED provocará una pérdida de un voltaje fijo a través de él, y esto es necesario para que se produzca la luz. Para la mayoría de los LEDs, esto está entre 1,7V-3,3V dependiendo del color de la luz emitida (un LED azul requiere una tensión de avance más alta que un LED rojo).
Corriente de avance:
Al igual que con un componente electrónico, un LED es una carga en un circuito y cuando un circuito se completa, fluye la corriente. La corriente de avance de un LED se refiere a la cantidad de corriente que consumirá cuando funcione a su brillo previsto. Para la mayoría de los LEDs, está entre 15mA-20mA y es importante tenerlo en cuenta, ya que permitir que un LED consuma demasiada corriente acortará drásticamente su vida (un LED azul conectado directamente a una fuente de 12V sin ninguna limitación de corriente se destruirá en pocos segundos). Debido al extremadamente bajo consumo de corriente en comparación con el brillo, los LEDs están reemplazando las formas tradicionales de iluminación en casi todas las áreas debido a su eficiencia.
Protegiendo los LEDs con una resistencia limitadora de corriente:
Así que la corriente y el voltaje de avance son importantes, entonces ¿cómo nos aseguramos de que nuestros LEDs están siendo alimentados de forma segura y eficiente? Bueno, ya que la mayoría de las fuentes de alimentación van a ser mayores que la tensión de avance, y ser el cable de suministro de más de la corriente de avance, tenemos que crear una carga adicional en nuestro circuito, por lo que usamos una resistencia.
Si usted ha leído nuestro Curso Rápido de Electrónica Analógica, tendrá una idea justa de cómo funcionan las resistencias, pero vamos a recapitular rápidamente. El trabajo de una resistencia es (lo has adivinado) resistir el flujo de electrones (corriente), y cualquier carga resistiva causará una caída de tensión a través de ella. Así que podemos utilizar una resistencia para limitar la corriente que se suministra a nuestro LED y el cálculo de la resistencia requerida es una simple cuestión de aplicar la ley de Ohms: V=IR (Tensión = Corriente x Resistencia). Tomemos las siguientes características de un típico LED rojo con una tensión directa de 1,8V y una corriente directa de 20mA. Para la simulación, usaremos una fuente de alimentación de 9V.
Así que usaremos la ley de Ohms para encontrar el valor de la resistencia que necesitamos, por lo que reordenamos la fórmula para que sea R=V/I, sólo necesitamos encontrar la caída de voltaje a través de la resistencia y la corriente para darnos la resistencia. Si el LED deja caer 1,8V a través de él, otros 7,2V van a caer a través del resto del circuito (nuestra resistencia), así que V=7,8. Como queremos limitar la corriente a través del circuito a 20mA, I=0,02 (Amperios). Así que ahora podemos dividir 7,2 por 0,02 para darnos 360. Por lo tanto, necesitamos una resistencia limitadora de corriente de 360 Ohms.
Y ya está, ahora puedes calcular el valor de la resistencia necesaria para accionar cualquier LED. Intenta resolver otro problema usando V=IR donde el LED tiene un voltaje de avance de 2,2V, una corriente de avance de 18mA, y la fuente de alimentación es una fuente de 12V, y publica tus respuestas en los comentarios de abajo!
Controlando el brillo
Si quieres ajustar el brillo de un LED, puedes aumentar la resistencia limitadora de corriente para reducir la corriente al LED y reducir el brillo, sin embargo, asegúrate de no ir por debajo del valor calculado de la resistencia. Esto está bien para fijar permanentemente el brillo, sin embargo, a diferencia de las bombillas incandescentes (globos de luz de estilo tradicional que utilizan un filamento trenzado) no se puede ajustar el brillo simplemente cambiando el voltaje al LED. Obtendrás una respuesta extraña y no será un cambio suave. En su lugar, para controlar el brillo de un LED se utiliza PWM.
PWM se discute en más profundidad en nuestros otros tutoriales, sin embargo, el concepto es bastante simple. Enciendes y apagas el LED más rápido de lo que el ojo humano puede percibir como parpadeos individuales, y la proporción de tiempo de encendido/apagado en una determinada frecuencia es percibida por el ojo humano como un aumento/disminución del brillo. Para obtener información más detallada acerca de cómo funciona el PWM, echa un vistazo a este tutorial de DAC para Raspberry Pi.
Usando múltiples LEDs: Serie vs. Paralelo
Así que usar un LED está bien, pero ¿qué pasa si queremos conectar más de un LED a una fuente de alimentación y que todos se iluminen? Se podría pensar que simplemente podríamos conectar uno tras otro con una resistencia al final, esto se conoce como conectarlos en Serie. Sin embargo, si hacemos esto, cada LED tiene una caída de voltaje, lo que significa que cada LED consecutivo tiene menos y menos voltaje disponible, lo que significa que los LEDS se volverán más y más tenues a medida que avanza el circuito. Lo que tenemos que hacer es conectarlos en Paralelo como se muestra:
De esta manera, cada LED está en su propio bucle del circuito, y ningún LED está recibiendo más energía que otro. Pero ten cuidado, digamos que necesitas una resistencia de 360 Ohm para un solo LED, como se muestra arriba, no puedes usar una sola resistencia de 360 Ohm para todos los LEDs porque ese valor está diseñado para limitar la corriente a sólo 20mA, pero si tienes múltiples LEDs conectados en paralelo, el consumo de corriente para ellos se suma, por lo que tenemos que volver a calcular para un consumo de corriente de todos los LEDs combinados.
LEDs RGB y Digitales
Aunque un LED de un solo color es emocionante, una gran ventaja de los LEDs es que, debido a su pequeño tamaño, se pueden combinar varios LEDs en un solo paquete para crear un LED RGB (Rojo Azul Verde) que crea colores en todo el espectro visible gracias a la luz aditiva. El uso de estos LEDs es sencillo, tienen un cable común (el cátodo o el ánodo) y un cable separado para cada color que puedes utilizar para controlar cada canal de color de forma independiente. Son geniales, pero imagínate usar muchos de ellos y la cantidad de pines que se necesitarían para controlarlos. En los últimos años hemos visto el desarrollo de los LEDs direccionables digitalmente, que incluyen un LED RGB y un pequeño chip controlador en un paquete estándar, lo que permite controlar enormes tiras de LEDs con un solo pin del microcontrolador. Para más información sobre este tipo de LEDs, echa un vistazo a nuestro tutorial sobre NeoPixels con Particle.