Objetivos
- Conocer el funcionamiento de un diodo emisor de luz (led).
- Realizar montajes prácticos con leds.
Conocimiento previo
El diodo LED es un dispositivo electrónico de dos terminales, llamados ánodo y cátodo, que se caracteriza porque cuando se alimenta con el voltaje adecuado es capaz de emitir luz.
Así, si se conecta el ánodo (+) al polo positivo de la pila y el cátodo (-) al polo negativo (polarización directa) entonces el dispositivo emite luz. En caso contrario, es decir, si conectamos el led al revés el diodo se comporta como un interruptor abierto, la corriente no pasa y no hay emisión de luz. Esto es lo que se conoce como polarización inversa.
El ánodo se puede identificar porque corresponde a la patilla más larga y el cátodo a la más corta. También se puede ver una muesca plana que identifica el terminal cátodo.
Caso práctico: Polarización directa e inversa
Conecta un led en polarización directa con la pila suministrada.
¡Ojo! Hazlo durante un instante, sólo para ver si luce. Si lo dejas conectado mucho tiempo el led se destruirá (cortocircuito).
Hay que conectar la patilla larga al polo positivo de la pila y la corta al negativo. En esta situación, el led está en polarización directa, la corriente circula y el led luce.
Si lo conectas al revés (polarización inversa) observarás que el led no luce. Esto es porque en esta posición, el diodo led impide el paso de la corriente.
Protege el led con una resistencia en serie
El LED es un dispositivo que necesita unos 2 voltios y una corriente máxima de unos 20 mA. (Esta información debe consultarse en el «datasheet» del componente. Si se superan estos valores el diodo se puede romper. Por eso, la experiencia anterior hay que realizarla unos instantes, ya que si dejamos el led conectado a la pila se rompería. Para evitar que se rompa el led hay que colocar en serie con el diodo una resistencia de protección que limite la corriente. Cuanto mayor sea la resistencia, menos corriente circulará por el circuito. Si ponemos una demasiado grande, circulará muy poca corriente y el led casi no luce. Si, por el contrario, es demasiado pequeña, la corriente puede ser superior a los 20 mA y el led puede deteriorarse.
Caso práctico: Determinar la resistencia de protección adecuada
MÉTODO 1: eNSAYO Y ERROR
Dibuja y simula en Tinkercad el circuito de la figura:
Prueba con varios valores de resistencia (en Ohmios): 50, 100, 150, 200, 250, etc hasta que el valor de la corriente sea inferior a 20 mA . Observa la «i» de información cuando simules el circuito. Completa en la tabla los valores de R, IT y luminosidad con las cinco resistencias en tu cuaderno o en formato digital. El voltaje del diodo VD lo completas cuando leas un poco más abajo.
| Voltaje fuente (V) | Voltaje diodo VD (V) | R ( Ω ) | IT (mA) | Luminosidad (Alta/Baja) |
| 5 | 50 | |||
| 5 | 100 | |||
| 5 | 150 | |||
| 5 | 200 | |||
| 5 | 250 |
Cuanto mayor es la corriente (IT) que atraviesa el diodo led, mayor será su luminosidad. Lo que ocurre es que si supera los 20 mA el led se estropea.
¿Cuál es el valor adecuado de la resistencia para obtener una luminosidad óptima sin comprometer la seguridad del led?
Ten en cuenta que los fabricantes sólo fabrican resistencias de unos determinados valores:
Por tanto, de entre los valores comerciales, ¿Cuál eliges?
Añade ahora un voltímetro para medir el voltaje que hay entre los extremos del led y anótalo en la tabla de arriba. ¿Qué observas? ¿Varía mucho este voltaje?
Selecciona otro voltímetro y mide el voltaje que hay entre los extremos de la resistencia. ¿Qué relación hay entre el voltaje de la fuente, el voltaje medido entre los extremos de la resistencia (Vr) y el voltaje medido entre los extremos del led (VD)? Piensa que los dos elementos están conectados en serie.
método 2: aplicación ley ohm
Con las medidas anteriores habrás observado que el voltaje del led (VD) es aproximadamente de 2V. Sabiendo que la fuente de alimentación la hemos puesto a 5 V, ¿Qué voltaje (Vr) habrá en los extremos de la resistencia?
Sabiendo que la corriente máxima (IT) que debe circular por el led es de 20 mA, aplicando la ley de Ohm podemos obtener el valor de la resistencia:
R = Vr/IT
¿Coincide aproximadamente con el valor hallado en el método 1?
Si ahora conecto el led a una pila de 9V, ¿Qué valor de la resistencia necesito colocar en serie para que la corriente sea de 20 mA?
Elige un valor de resistencia comercial que más se aproxime al valor calculado, siempre por encima. ¿Por qué?
Ejercicio cálculo resistencia protección
Para un proyecto, se desea utilizar un led rojo y otro verde cuyas especificaciones se muestran en las imágenes adjuntas.
Calcular la resistencia de protección adecuada en ambos casos si los vamos a conectar a una fuente de 12 V.
Cómo montar 4 leds con una sola resistencia de protección
Normalmente, cuando conectamos un led a un voltaje es necesario que vaya acompañado de su correspondiente resistencia de protección. En el caso de que solo uno de ellos vaya a estar encendido al mismo tiempo, podemos montar el circuito utilizando sólo una resistencia de protección.
El montaje puede ser similar a este:
Si en algún momento pensamos que dos o más leds van a estar encendidos simultáneamente, entonces deberíamos poner una resistencia de protección a cada led.
El rectángulo azul es un microinterruptor de cuatro entradas. En la imagen se ve que la entrada 1 está en ON, por lo que circula la corriente eléctrica hacia el primer led de la izquierda.
Prueba a hacer la simulación de tal forma que sólo uno de los cuatro microinterruptores esté en la posición ON. Observarás que cada led correspondiente luce correctamente.
Ahora en la simulación prueba a poner en ON varios leds. ¿Qué ocurre? ¿Crees que sería un funcionamiento adecuado? ¿Cómo modificarías el circuito para que varios leds lucieran correctamente de forma simultánea?
El esquemático tiene este aspecto:
Encendido y apagado de leds por programación
En lugar de enceder y apagar los leds de forma manual podemos hacerlo por programación con una placa tipo Arduino (microcontrolador). En estas placas podemos cargar un programa que realice el comportamiento que nosotros queramos.
Arriba hemos visto que podemos encender un led conectado al switch 1 poniendo el selector 1 en ON. Para apagarlo, bajamos la palanquita a la posición OFF.
Esta acción mecánica podemos realizarla por software y sustituir los interruptores por un microcontrolador.
De esta forma, para encender un led que está conectado al pin 2 debemos escribir la siguiente instrucción:
digitalWrite(2, HIGH);
Si queremos apagarlo, escribimos lo siguiente:
digitalWrite(2, LOW);
Podemos indicar el tiempo que queremos que permanezca encendido. Por ejemplo, para que el led esté encendido 1,5 segundos escribimos:
delay(1500);
La indicación ON implica físicamente que el pin se pone a 5V y la indicacción OFF conlleva a que el pin se ponga a 0V.
Código del programa
void setup()
{
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
pinMode(8, OUTPUT);
pinMode(9, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(2, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(2, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(3, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(3, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(4, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(4, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(5, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(5, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(6, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(6, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(7, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(7, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(8, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(8, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(9, HIGH);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(9, LOW);
delay(300); // Wait for 1000 millisecond(s)
}
Cálculo de la potencia y energía de un led
Supongamos el circuito más simple de un led con su resistencia de protección de 220 ohm de la figura:
Potencia total
La potencia (se mide en W vatios) total del circuito es PT = VT*IT = 5V * 14,1mA = 70,5 mW = 0,0705 W.
Energía total
La energía se mide en Julios en el sistema internacional. Se calcula mediante la fórmula E = P*t , es decir, multiplicando la potencia por el tiempo. Cuando se habla de circuitos eléctricos, es habitual medir la energía en kWh. (kW unidad de potencia * hora unidad de tiempo).
Un kWh es la energía disipada (consumida) por un dispositivo eléctrico que tiene una potencia de 1kw y está funcionando durante 1 hora. Si el precio del kWh son 0,14€, diremos que ese dispositivo habrá consumido energía eléctrica por valor de 0,14€. Si está funcionando durante 2 horas, el consumo monetario sería de 0,28€, puesto que habrá consumido 2kWh.
Arriba hemos determinado que la potencia disipada por el led es
P = 0,0705 W = 0,0000705 kW
El coste económico de dejar encendido el led durante 1000 h se calcula de la siguiente forma:
La energía consumida por el led será
E = P*t = 0,0000705 kW * 1000 h = 0,0705 kWh
El dinero que cuesta es
Dinero = 0,0705 kWh * 0,14 €/kWh = 0,00987 € cuesta un led encendido durante 1000 horas.