lunes, 29 de mayo de 2017

DISEÑO DE CIRCUITOS CON DIODOS EMISORES DE LUZ

Una de las cosas que mas me apasionan de la electrónica es la iluminación con diodos emisores de luz (desde ahora en adelante para referirme al diodo emisor de luz, únicamente utilizaré sus iniciales: LED), Quizá el 90% de mi trabajo lo he dedicado a construir vumetros, analizadores de espectro, strobos, secuenciadores, etc; quiero dejar plasmado en este blog todo el conocimiento y experiencia que tengo controlando LEDs.


Empezare indicando que un LED, dicho de manera sencilla es un dispositivo electrónico que mite luz cuando se hace pasar una corriente adecuada por él. Nótese que he utilizado la palabra "adecuada", pido disculpas si hago demasiado hincapié en esto, pero si deseamos controlar bien estos dispositivos, hemos de saber que una corriente insuficiente no haría brillar al LED o peor aun es el caso contrario, una corriente excesiva causaría daños irreversibles en el mismo. 

Los parámetros fundamentales a la hora de diseñar sistemas de iluminación con diodos LED son el voltaje fordward (VF) y la corriente fordward (IF), estos parámetros siempre nos indica el fabricante en sus hojas de datos y debemos respetarlos para obtener una luz brillante y de larga vida. Otros dos parámetros importantes, son el material del que están echos y la longitud de onda de su espectro visible; pues estos parámetros determinan la coloración de la LUZ. La tabla siguiente muestra un ejemplo para los LED más comunes que trabajan con una corriente de fordward de 20mA.


Existe en el mercado una gran variedad de diodos LED, de todo tipo, tamaño y color, Existen los ultrabrillantes y los no tan brillantes, los puntuales y los difusos, los que emiten luz visible y los que emiten luz invisible, existen los LED unicolor, bicolor, los RGB y los RGBW. de los cuales nos ocuparemos más adelante.  


Encendiendo un LED ("Hello World")


Encender un LED es cosa sencilla, sin embargo hay que andarse con cuidado si no deseamos dañarlo, antes de alimentarlo con corriente debemos tener en cuenta cual es su voltaje e intensidad de trabajo (VF e IF). además se debe tener en cuenta la polaridad, pues todo led tiene dos terminales, uno positivo llamado ANODO y uno negatiivo llamado CATODO.

Supongamos que deseamos encender un LED de color azul, cuyos parámetros indicados por el fabricante son VF=3.6V, IF=20mA con una bateria de 9V, 

Obviamente si alimentamos directamente al LED con la bateria de 9V, este no tardaría mucho en destruirse. Entonces, para evitar que esto ocurra, debemos colocar en serie una resistencia que limite la corriente y el voltaje que pasa por él;.La resistencia se calcula utilizando la ley de OHM y teniendo en cuenta que por el LED debe estar VF=3.6V y circular IF= 20mA. El calculo y el circuito correspondiente se muestra a continuación en la siguiente figura:


Conexión de LEDS en Serie y Paralelo

Supoga que desea encender tres LED (VF=2.2V e IF=20mA) utilizando como fuente de alimentación una batería de 9V; Bueno aquí tendriamos dos posibles soluciones; la primera es conectar los LED en paralelo y la segunda es conectar los LED en serie, examinemos ambos casos y analicemos cual nos resulta más conveniente:

Como vemos en la figura anterior la conexión en serie resultó ser mucho más ventajosa que la conexión en paralelo; puesto que es un diseño más sencillo y consume menos corriente, sin embargo no siempre la conexión en serie es más ventajosa que la conexión en paralelo, para entender mejor lo que acabo de decir, Examinemos el siguiente ejemplo:

Se desea conectar Cuatro Leds (VF = 3.6V, IF=20mA) a partir de una batería de 9V. determine el circuito adecuado y la resistencia que debe utilizarse.

Como vemos en este ejemplo, la conexión en serie no es la adecuada puesto que el voltaje demandado por los cuatro LED es superior al voltaje que entrega la batería.

Ahora surge la pregunta; ¿Se puede conectar LEDS en paralelo utilizando solo una resistencia? respuesta es: "Si se puede, pero en la mayoria de los casos no conviene"  Examinemos el Ejemplo siguiente, para que pueda comprender mejor esta situación suponga que deseamos conectar doce LED (VF=4V, IF=20mA) en paralelo con una batería de 12V utilizando únicamente una resistencia;

El cálculo de la resistencia y la potencia que disipa se muestra en la siguiente figura:




Como vemos la potencia que debe disipar la resistencia es de 2W, estas resistencias por lo general se fabrican de cerámica y son de un tamaño muy grande, por lo que en algunos casos no sería conveniente utilizarlas, Además la potencia que disipa la resistencia se convierte en calor, es decir existe mucho desperdicio de energía y no podríamos decir que es un circuito eficiente.

En resumen un buen diseño por lo general siempre termina siendo una combinación de LEDs conectados en serie y paralelo. a continuación se muestra un buen criterio de diseño para una lampara LED de 24V que consume 160mA.


La resistencias a utilizar la podemos determinar de la ley de Ohm

R=V/I = (24-15)V/20mA = 450 Ohm

La potencia que disipa cada resistencia sería:

P=I x I x R = 160 x 160 x 450 = 0.115 W

Tenemos entonces qué resistencias comerciales de 450 Ohm 1/4 W serian las indicadas para esta lámpara.

Controlando el Brillo de los LED

Las siglas PWM vienen de tres vocablos ingleses (Pulse Width Modulation), o modulación por ancho de pulso, esta técnica es muy utilizada por nosotros los electrónicos cuando deseamos dosificar la potencia que llega hasta nuestros dispositivos; para el caso que nos compete ahora, las lámparas LED.


Una onda PWM, es una señal cuadrada de periodo fijo y ciclo util variable; en la figura anterior se nuestra tres ondas PWM con ciclo util variable; 30%, 60% y 80% respectivamente; El LED se apagará cuando la onda atraviesa por un nivel lógico bajo y se encenderá cuando la onda atraviesa por un nivel lógico alto; Mientras mayor es el tiempo que nuestro LED permanece encendido respecto al tiempo que permanece apagado; mayor es el brillo que obtendremos de él; Todo esto se hace a una frecuencia lo suficientemente veloz como para que el ojo humano no pueda notar el parpadeo que existe en el LED.

El LED RGB

El LED RGB en realidad se trata de tres LEDS de color ROJO, VERDE y AZUL insertos en una misma capsula.

Estos pueden ser CÁTODO COMUN cuando internamente están conectados los terminales negativos o ÁNODO COMUN cuando internamente están conectados los terminales positivos.


Al encender distintas combinaciones se formara un color resultante de la mezcla RGB; La tabla muestra algunas combinaciones posibles y los distintos colores resultantes de la mezcla:


Como vemos en la tabla un LED RGB puede llegar a consumir hasta 60mA cuando se han encendido sus tres colores primarios para formar el color Blanco; 

Se puede conseguir un amplia gama de tonalidades de luz cuando se regula el brillo de cada LED; utilizando la modulación de ancho de pulso, aplicando distintos ciclos útiles como por ejemplo 75% de Azul, 25% rojo y 10% de verde, se conseguiría una tonalidad azulada parecida al violeta.

Conexión de LEDS a Circuitos Integrados y Microcontroladores

La mayoria de circuitos integrados, entre ellos TTL, CMOS, microcontroladores PIC y los ATMEGA, entregan un voltaje que conmuta entre 0 y 5V; por lo que resulta indispensable colocar una resistencia para protejer al LED tanto de un sobrevoltaje como de una sobreintensidad. Dicha resistencia se calcula de la ley de Ohn 

                            R=(5V-VF)/IF

Por ejemplo para calcular la resistencia que se debe colocar a la salida del ARDUINO para protejer un LED (VF=2V, IF=20mA) sería:

R=(5V-2V)/20mA=150 Ohm

la figura siguiente muestra dos formas de conectar un LED a Arduino; la primera es escribiendo un CERO lógico a la salida del pin 9 y la segunda escribiendo un UNO lógico a la salida del pin 8.


Comandando un grupo de LEDs con transistores Darlingthon

Debido a que el voltaje y la corriente que manejan los circuitos integrados no abastecen para encender a un grupo grande de LEDS se debe recurrir al usos de transistores para conmutar con la corriente y el voltaje demandados por el grupo.

Para facilitar nuestro estudio, consideraremos al grupo de LEDs como un solo LED de alta potencia;



Para nuestro caso practico lo que nos interesa es calcular la resistencia RC que proteje al grupo de LEDs en serie, para ello teniendo la ley de Ohm se han deducido las siguientes formulas: 

VRC = VDD - NUMERO DE LEDS EN SERIE x VF - VCE
RC = VRC / IF
donde,
  • VRC es el voltaje que cae en la resistencia RC
  • VDD es el voltaje que alimenta al LED
  • VCE es el voltaje entre colector - emisor que en estado de conmutación siempre es 0,2V

Ademas de la resistencia de colector, se debe calcular la resistencia de base que hace disparar al transistor con la corriente requerida por los LED, para ello tenemos las siguientes formulas:

VRB = VCC - VBE 
RB = VRB / Ib
donde,
  • VRB voltaje que cae en la resistencia RB
  • VCC es el voltaje que entrega el circuito integrado (para el caso de PIC, ARDUINO, RASPBERRY PI, Series CMOS y TTL siempre es 5V)
  • VBE voltaje base - emisor siempre igual a 0.7V
  • Ib es la corriente de base la cual se determina de la formula:
Ib = Ic / hfe 
donde, 
  • Ic es la corriente que circula por el colector
  • hfe, corresponde a la ganancia del transistor y siempre la especifica el fabricante en su hoja de datos 
Para ilustrar lo anteriormente dicho, supongamos que desea comandar con ARDUINO UNO un grupo de 15 LED cuyo VF/IF son 3V/20mA con un transistor TIP41 cuya ganancia es hfe = 75.

Calcular

a)Las resistencias de colector que protejeran a los LED
b)La resistencia de base adecuada para comandar al transistor

Tome en cuenta la configuración mostrada en la figura siguiente:



Solución: 

EL Voltaje que cae en las resistencias RC, R1, R2, R3, R4 se calcula de la siguiente manera;

VDD - NUMERO DE LEDS EN SERIE X VF - VCE =
VDD - 3 x VLED - VCE = 12V - 3 x 3V - 0.2V = 3V 

El valor de las resistencias la obtenemos de la ley de Ohm

R = 3V/20mA = 150 Ohm

la corriente total que demandan las cinco hileras de LED sería:

5 x 20mA  = 100mA. 

Es decir que la corriente que circula por el colector debe ser igual a 100mA; por lo que la corriente de base debería ser 

Ib = Ic / hfe = 100mA/75 = 1.4mA

la resistencia Rb de base adecuada para comandar al transistor seria entonces:

RB = VRB/IB
RB = (VCC-VCE)/Ib
Rb = (5V - 0.7V)/1.34mA = 3.2K 

La próxima entrega estaremos hablado de las CINTA LED su uso y aplicaciones, así es que si les interesa no dejen de visitar mi blog

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