Un LED es un diodo hecho de un material semiconductor que genera fotones de luz cuando la corriente fluye a través del material. Cuanto más corriente atraviese el LED, más luz emitirá el LED, más brillante será. Sin embargo, hay un límite superior que es la cantidad de corriente suficiente para dañar el LED.
Un LED ofrece poca resistencia a la corriente que lo atraviesa. La mayor parte de la poca resistencia que ofrece proviene de la energía perdida de la luz emitida y la generación de fotones es tan eficiente que la resistencia es bastante insignificante. Sin embargo, a medida que aumenta la corriente, aumentando la cantidad de luz, el LED fallará en algún momento porque la cantidad de corriente que pasa a través del LED causa fallas en el material. Con cantidades suficientemente grandes de corriente, la vaporización catastrófica del material puede resultar en una pequeña explosión dentro de la envoltura exterior del LED. Con los niveles de corriente más bajos encontrados en circuitos digitales de 3.3v o 5v, el resultado más probable es que el material semiconductor falla y deja de conducir y el LED ya no se ilumina.
¿Cómo afecta el voltaje del circuito al consumo de corriente de un LED? Dado que un LED es un tipo de diodo, la ecuación del diodo de Shockley describe la corriente que un diodo permite a varios niveles de voltaje. La ecuación muestra que los resultados de la función Shockley para un rango de voltaje dado siguen una curva exponencial. Esto significa que pequeños cambios en el voltaje pueden hacer grandes cambios en la corriente. Por lo tanto, el uso de un LED en un circuito simple cuyo voltaje es más alto que el voltaje directo del LED corre el riesgo de que el LED consuma sorprendentemente más corriente que sus niveles recomendados, lo que resulta en una falla del LED.
Ver Wikipedia Circuito LED tema , así como ecuación del diodo Shockley Wikipedia tema .
Entonces, la idea es diseñar el circuito de LED para limitar la cantidad de corriente que fluye a través del LED. Queremos equilibrar tener suficiente corriente para causar el nivel de brillo deseado sin tener tanto que el material del LED falle. El método más común para limitar la corriente es agregar una resistencia al circuito.
Un LED debe tener una hoja de datos que describa las características y tolerancias eléctricas del LED. Por ejemplo, consulte esta hoja de datos Modelo No .: YSL-R531R3D-D2 .
Las primeras características que nos interesan son (1) cuál es la corriente máxima que puede soportar el LED antes de que sea posible una falla del material que resulte en una falla del LED y (2) cuál es el rango de corriente recomendado. Estas y otras clasificaciones máximas para un LED rojo estándar típico (diferentes LED tendrán diferentes valores) se encuentran en una tabla como se duplica a continuación.
En la tabla de la hoja de datos para este LED rojo estándar, vemos que la corriente máxima es de 20 mA con un rango recomendado de 16 mA a 18 mA. Este rango recomendado es la corriente para que el LED esté más brillante sin arriesgarse a fallas en el material. También vemos que la disipación de potencia nominal es de 105 mW. Queremos asegurarnos de que en nuestro diseño de circuito LED nos mantengamos dentro de estos rangos recomendados.
Mirando en la siguiente tabla, encontramos un valor de Voltaje directo para el LED de 2.2v. El valor de Voltaje directo es la caída de voltaje cuando la corriente fluye a través del LED en dirección directa, desde el ánodo al cátodo. Consulte ¿Qué es el voltaje “directo” y “inverso” cuando se trabaja con diodos? .
Si tuviéramos que usar este LED en un circuito con 2.2v y una corriente de 20mA, entonces el LED se disipará 44mW, que está dentro de nuestra zona de seguridad de disipación de energía. Si la corriente cambia de 20 mA a 100 mA, la disipación será 5 veces mayor o 220 mW, que está muy por encima de la disipación de potencia nominal de 105 mW para el LED, por lo que podríamos esperar que el LED falle. Vea ¿Qué le sucede a mi LED cuando suministra demasiada corriente? .
Para reducir la corriente a través del LED a los niveles recomendados, introduciremos una resistencia en el circuito. ¿Qué valor de resistencia debemos usar?
Calculamos un valor de resistencia utilizando la ley de Ohm, V = I x R
. Sin embargo, haremos una transformación algebraica porque queremos resolver la resistencia en lugar del voltaje, por lo que en su lugar usamos la fórmula R = V / I
.
El valor de I, corriente en amperios, es bastante obvio, simplemente usemos el mínimo recomendado de 16 mA o 0,016 A de la hoja de datos del LED en la fórmula transformada. Pero, ¿qué valor debemos usar para voltios, V?
Necesitamos usar la caída de voltaje de la resistencia, que es la contribución que hace la resistencia a la caída de voltaje total de todo el circuito. Por lo tanto, tendremos que restar la contribución de caída de voltaje del LED del voltaje total del circuito para determinar la contribución de caída de voltaje necesaria de la resistencia. La caída de voltaje de un LED es el valor de voltaje directo, la caída de voltaje en una dirección directa desde el ánodo al cátodo, de la tabla anterior.
Para un proyecto estándar de Raspberry Pi que usa el riel de 3.3v como fuente de energía, el cálculo sería (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)
Entonces, ¿por qué se usa comúnmente un valor de resistencia como 200 ohmios cuando los cálculos indican 69 ohmios?
La respuesta fácil es que una resistencia de 200 ohmios es una resistencia común incluida en muchos kits de experimentos. Queremos usar una resistencia común si la luz emitida por el LED no disminuirá notablemente.
Entonces, si cambiamos de una resistencia de 69 ohmios a una resistencia de 200 ohmios, ¿cuál es el cambio en la corriente? Nuevamente, usamos la ley de Ohm esta vez para resolver la corriente en el circuito, I = V / R
o 3.3v / 200 ohms = .0165A
cuando miramos la hoja de datos del LED, vemos que este valor está en el rango recomendado de 16 mA a 18 mA, por lo que el LED debe ser lo suficientemente brillante.