En electrónica , un circuito LED o controlador de LED es un circuito eléctrico que se utiliza para alimentar un diodo emisor de luz (LED). El circuito debe proporcionar suficiente corriente para encender el LED con el brillo requerido, pero debe limitar la corriente para evitar dañar el LED. La caída de voltaje en un LED encendido es aproximadamente constante en un amplio rango de corriente operativa; por lo tanto, un pequeño aumento en el voltaje aplicado aumenta considerablemente la corriente. Las hojas de datos pueden especificar esta caída como un "voltaje directo" ( ) en una corriente operativa particular. Se utilizan circuitos muy simples para LED indicadores de baja potencia. Se requieren circuitos de fuente de corriente más complejos cuando se activan LED de alta potencia para iluminación y lograr una regulación de corriente correcta.
El circuito más simple para controlar un LED es a través de una resistencia en serie. Se utiliza comúnmente para indicadores y pantallas digitales en muchos electrodomésticos. Sin embargo, este circuito no es energéticamente eficiente porque la energía se disipa en la resistencia en forma de calor.
Los LED dependen de su material . La ley de Ohm y las leyes de circuitos de Kirchhoff se utilizan para calcular el valor de resistencia apropiado, restando los LED del voltaje de suministro y dividiéndolos por la corriente de funcionamiento deseada. Con una tensión de alimentación suficientemente alta, se pueden alimentar varios LED en serie con una resistencia.
Si el voltaje de suministro es cercano o igual al del LED , entonces no se puede calcular ningún valor razonable para la resistencia, por lo que se utiliza algún otro método de limitación de corriente.
Las características de voltaje versus corriente de un LED son similares a las de cualquier diodo . La corriente es aproximadamente una función exponencial del voltaje según la ecuación del diodo de Shockley , y un pequeño cambio de voltaje puede resultar en un gran cambio en la corriente. Si el voltaje es inferior o igual al umbral, no fluye corriente y el resultado es un LED apagado. Si el voltaje es demasiado alto, la corriente excederá la clasificación máxima, sobrecalentando y potencialmente destruyendo el LED.
Los controladores LED están diseñados para manejar la carga fluctuante, proporcionando suficiente corriente para lograr el brillo requerido sin permitir que fluyan niveles dañinos de corriente. Los controladores pueden ser de corriente constante (CC) o de voltaje constante (CV). En los controladores CC, el voltaje cambia mientras la corriente permanece igual. Los controladores CC se utilizan cuando la carga eléctrica del circuito LED es desconocida o fluctúa, por ejemplo, un circuito de iluminación donde se puede instalar una cantidad variable de lámparas LED.
A medida que un LED se calienta, su caída de voltaje disminuye (disminución de la banda prohibida [1] ). Esto puede estimular el aumento de la corriente.
Una fuente activa de corriente constante se usa comúnmente para LED de alta potencia, estabilizando la salida de luz en una amplia gama de voltajes de entrada, lo que podría aumentar la vida útil de las baterías. La corriente constante activa generalmente se regula mediante un MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) en modo de agotamiento , que es el limitador de corriente más simple. [2] Los reguladores de corriente constante de baja caída (LDO) también permiten que el voltaje total del LED sea una fracción mayor del voltaje de la fuente de alimentación.
Las fuentes de alimentación de modo conmutado (por ejemplo , convertidores reductores , elevadores y reductores) se utilizan en linternas LED y lámparas LED domésticas . Los MOSFET de potencia se utilizan normalmente para conmutar controladores de LED, lo que constituye una solución eficiente para controlar LED de alto brillo. Los chips de circuito integrado (IC) de potencia se utilizan ampliamente para controlar los MOSFET directamente, sin necesidad de circuitos adicionales. [2]
Las resistencias en serie son una forma sencilla de estabilizar la corriente del LED, pero se desperdicia energía en la resistencia.
Los LED indicadores en miniatura normalmente funcionan con CC de bajo voltaje a través de una resistencia limitadora de corriente. Son comunes corrientes de 2 mA, 10 mA y 20 mA. Los indicadores sub-mA se pueden crear activando LED ultrabrillantes a una corriente muy baja. La eficiencia tiende a reducirse con corrientes bajas, [3] pero los indicadores que funcionan con 100 μA siguen siendo prácticos.
En las luces LED tipo llavero que funcionan con pilas de moneda , la resistencia de la propia celda suele ser el único dispositivo limitador de corriente.
Hay disponibles LED con resistencias en serie incorporadas. Estos pueden ahorrar espacio en la placa de circuito impreso y son especialmente útiles cuando se construyen prototipos o se completa una PCB de una manera distinta a la prevista por los diseñadores. Sin embargo, el valor de la resistencia se establece en el momento de la fabricación, lo que elimina uno de los métodos clave para configurar la intensidad del LED.
El valor de la resistencia en serie se puede obtener de la ley de Ohm , considerando que la tensión de alimentación está compensada por la del diodo , que varía poco en el rango de corrientes útiles:
dónde:
Usando la fórmula algebraica (arriba) y asumiendo que es 0 (para simplificar los ejemplos), la resistencia se calcula de la siguiente manera:
Las cadenas de múltiples LED normalmente están conectadas en serie . En una configuración, el voltaje de la fuente debe ser mayor o igual a la suma de los voltajes de los LED individuales; Normalmente, los voltajes del LED suman alrededor de dos tercios del voltaje de suministro. Se puede utilizar una única resistencia limitadora de corriente para cada cadena.
El funcionamiento en paralelo también es posible, pero puede resultar más problemático. Los LED paralelos deben coincidir estrechamente para tener corrientes de rama similares y, por lo tanto, una salida de luz similar. Las variaciones en el proceso de fabricación pueden dificultar la obtención de un funcionamiento satisfactorio al conectar algunos tipos de LED en paralelo. [4]
Los LED a menudo se organizan de manera que cada LED (o cada cadena de LED) se pueda encender y apagar individualmente.
El accionamiento directo es el enfoque más sencillo de entender: utiliza muchos circuitos independientes de un solo LED (o de una sola cadena). Por ejemplo, una persona podría diseñar un reloj digital de modo que cuando el reloj muestre "12:34" en una pantalla de siete segmentos , el reloj encienda los segmentos apropiados directamente y los deje encendidos hasta que sea necesario mostrar algo más.
Sin embargo, las técnicas de visualización multiplexada se utilizan con más frecuencia que la transmisión directa, porque tienen costos netos de hardware más bajos. Por ejemplo, la mayoría de las personas que diseñan relojes digitales los diseñan de manera que cuando el reloj muestre "12:34" en una pantalla de siete segmentos , en cualquier instante el reloj enciende los segmentos apropiados de uno de los dígitos (todos los demás dígitos). son oscuros. El reloj recorre los dígitos lo suficientemente rápido como para dar la ilusión de que muestra "constantemente" "12:34" durante un minuto entero. Sin embargo, cada segmento "encendido" en realidad se enciende y apaga rápidamente muchas veces por segundo.
Una extensión de esta técnica es Charlieplexing, donde la capacidad de algunos microcontroladores de triplicar sus pines de salida significa que se puede controlar una mayor cantidad de LED, sin utilizar pestillos. Para N pines, es posible controlar n 2 -n LED.
El uso de tecnología de circuitos integrados para controlar los LED se remonta a finales de los años 1960. En 1969, Hewlett-Packard presentó el indicador numérico HP modelo 5082-7000, una de las primeras pantallas LED y el primer dispositivo LED que utiliza tecnología de circuito integrado. Su desarrollo fue dirigido por Howard C. Borden y Gerald P. Pighini en HP Associates y HP Labs , quienes se habían dedicado a la investigación y el desarrollo (I+D) de LED prácticos entre 1962 y 1968. [5] Fue la primera pantalla LED inteligente, convirtiéndolo en una revolución en la tecnología de pantallas digitales , reemplazando el tubo Nixie y convirtiéndose en la base de las pantallas LED posteriores. [6]
A diferencia de las bombillas incandescentes , que iluminan independientemente de la polaridad eléctrica , las LED solo iluminarán con la polaridad eléctrica correcta. Cuando el voltaje a través de la unión pn está en la dirección correcta, fluye una corriente significativa y se dice que el dispositivo está polarizado directamente . Si el voltaje tiene la polaridad incorrecta, se dice que el dispositivo tiene polarización inversa , fluye muy poca corriente y no se emite luz. Los LED pueden funcionar con corriente alterna , pero solo se iluminarán en la mitad del ciclo de CA en el que el LED tiene polarización directa. Esto hace que el LED se encienda y apague según la frecuencia del suministro de CA.
La mayoría de los LED tienen índices de voltaje de ruptura inversa relativamente bajos en comparación con los diodos estándar, por lo que puede ser más fácil de lo esperado ingresar a este modo y causar daños al LED debido a una sobrecorriente. Sin embargo, el voltaje de corte siempre es menor que el voltaje de ruptura, por lo que no se necesitan protecciones inversas especiales cuando se activa un LED directamente desde una fuente de CA cuando la corriente está adecuadamente limitada para el funcionamiento con polarización directa.
Normalmente, el fabricante indicará cómo determinar la polaridad del LED en la hoja de datos del producto. Sin embargo, no existe una estandarización de las marcas de polaridad para los dispositivos de montaje en superficie . [7] [8]
Muchos sistemas encienden y apagan los LED aplicando energía de forma periódica o intermitente. Mientras la tasa de parpadeo sea mayor que el umbral de fusión del parpadeo humano y el LED esté estacionario con respecto al ojo, el LED parecerá estar encendido continuamente. Variar la relación de encendido/apagado de los pulsos se conoce como modulación de ancho de pulso (PWM). En algunos casos, los controladores basados en PWM son más eficientes que los controladores de corriente constante o voltaje constante. [3] [9]
La mayoría de las hojas de datos de LED especifican una corriente CC máxima que es segura para un funcionamiento continuo. A menudo especifican una corriente pulsada máxima más alta que es segura para pulsos breves, siempre y cuando el controlador LED mantenga el pulso lo suficientemente corto y luego apague la alimentación del LED el tiempo suficiente para que se enfríe.
Además de la emisión, un LED se puede utilizar como fotodiodo en la detección de luz . Esta capacidad se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, incluida la detección de luz ambiental y las comunicaciones bidireccionales. [10] [11] [12]
Como fotodiodo, un LED es sensible a longitudes de onda iguales o más cortas que la longitud de onda predominante que emite. Por ejemplo, un LED verde es sensible a la luz azul y algo de luz verde, pero no a la luz amarilla o roja.
Esta implementación de LED se puede agregar a diseños con solo modificaciones menores en los circuitos. [10] Un LED puede multiplexarse en dicho circuito, de modo que pueda usarse tanto para emisión de luz como para detección en diferentes momentos. [10] [12]
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