Circuitos_de_LED

Circuitos de LED

Nuestro objetivo aquí es proporcionar una visión general de los tipos básicos de circuitos utilizados para alimentar los LED. Los diagramas de circuito, o esquemas, que siguen se dibujan utilizando símbolos electrónicos estándar de la industria para cada componente. Las definiciones de los símbolos son las siguientes:

El símbolo del LED es el símbolo estándar de un diodo con la adición de dos pequeñas flechas que denotan la emisión (de luz). De ahí el nombre de diodo emisor de luz (LED). La «A» indica el ánodo, o conexión positiva (+), y la «C» el cátodo, o conexión negativa (-). Ya lo hemos dicho antes, pero vale la pena repetirlo: Los LEDs son dispositivos estrictamente de corriente continua y no funcionan con corriente alterna. Cuando se alimenta un LED, a menos que la fuente de tensión coincida exactamente con la tensión del dispositivo LED, se debe utilizar una resistencia «limitadora» en serie con el LED. Sin esta resistencia limitadora, el LED se quemará instantáneamente.

En nuestros circuitos de abajo, utilizamos el símbolo de la batería para indicar una fuente de energía. La alimentación podría ser fácilmente proporcionada por una fuente de alimentación, o por las ruedas de un circuito. Sea cual sea la fuente, lo importante es que sea de corriente continua y que esté bien regulada para evitar que las fluctuaciones de voltaje causen daños a los LEDs. Si la fuente de tensión se alimenta de las pastillas de las vías, se debe utilizar un puente rectificador para asegurar que los LEDs sólo reciban CC y una polaridad invariable.

Los símbolos de los interruptores son bastante sencillos. Un interruptor de un solo polo y una sola flecha (SPST) es simplemente una función de encendido y apagado, mientras que el interruptor SPDT (doble flecha) permite el enrutamiento entre dos circuitos diferentes. Puede utilizarse como un interruptor de una sola vía si un lado no está conectado a nada. El pulsador es un interruptor de contacto momentáneo.

El símbolo del condensador que utilizamos aquí es para el tipo de condensador electrolítico o polarizado. Es decir, debe ser utilizado en un circuito de corriente continua y conectado correctamente (conexión positiva a la tensión positiva), o se dañará. Para nuestros propósitos, se utiliza para el almacenamiento momentáneo, para ayudar a «suavizar» las fluctuaciones en la tensión de alimentación causadas por pequeñas pérdidas cuando las ruedas que recogen la energía ruedan a través de puntos sucios en la vía o huecos en los desvíos. Los condensadores polarizados se clasifican en función de las diferentes tensiones máximas de CC. Utilice siempre un condensador cuyo valor nominal supere con seguridad la tensión máxima prevista en su aplicación.

El circuito básico

Esto es lo más sencillo que se puede hacer. El circuito de un solo LED es el bloque de construcción en el que se basan todos nuestros otros ejemplos. Para que funcione correctamente hay que conocer los valores de tres componentes. La tensión de alimentación (Vs), la tensión de funcionamiento del dispositivo LED (Vd) y la corriente de funcionamiento del LED (I). Una vez conocidos estos valores, utilizando una variación de la Ley de Ohm, se puede determinar la resistencia limitadora correcta (R). La fórmula es:

En nuestra página de consejos para el cableado de puentes encontrará un ejemplo de cómo aplicar esta fórmula. Revise el paso 7 para más detalles.

En el esquema anterior, tenemos tanto la resistencia limitadora como el interruptor conectados en el lado positivo (+) del circuito. Hemos hecho esto para ser coherentes con las «prácticas eléctricas estándar» en el trabajo con el lado «caliente» (más) del circuito en lugar del lado menos (-), o «tierra». El circuito funcionaría adecuadamente de cualquier manera, pero las prácticas de seguridad estándar recomiendan la «desconexión» en el lado «caliente» para minimizar la posibilidad de cortocircuito de los cables a otros circuitos «conectados a tierra».

Circuitos con dos o más LEDs

Los circuitos con múltiples LEDs se dividen en dos categorías generales; circuitos cableados en paralelo, y circuitos cableados en serie. Un tercer tipo conocido como circuito en serie/paralelo es una combinación de los dos primeros y también puede ser bastante útil en proyectos de modelado.

Las reglas generales para los circuitos de LEDs en paralelo y en serie se pueden enunciar como sigue:

1. En un circuito en paralelo, el voltaje es el mismo a través de todos los componentes (LEDs), pero la corriente se divide a través de cada uno.

2. En un circuito en serie, la corriente es la misma, pero el voltaje se divide.

3. En un circuito en serie, la suma de todos los voltajes de los LEDs no debe superar el 90% de la tensión de alimentación para garantizar una salida de luz estable de los LEDs.

4. En un circuito en serie, todos los LEDs deben tener las mismas propiedades de tensión (Vd) y corriente (I).

El circuito de LEDs cableado en paralelo

Se muestran arriba dos ejemplos del mismo circuito. La figura 1, a la izquierda, es una representación esquemática de tres LEDs conectados en paralelo a una batería con un interruptor para encenderlos o apagarlos. Notarás que en este circuito, cada LED tiene su propia resistencia limitadora y el lado de la tensión de alimentación de estas resistencias están conectadas juntas y dirigidas al terminal positivo de la batería (a través de un interruptor). Observe también que los cátodos de los tres LEDs se conectan juntos y se dirigen al terminal negativo de la batería. Esta conexión «en paralelo» de los componentes es lo que define el circuito.

Si construyéramos el circuito exactamente como se muestra en la Figura 1, con cables que conecten los dispositivos de la manera que muestra el esquema (cables de puente entre las resistencias, y cables de puente entre las conexiones de los cátodos), tendríamos que considerar la capacidad de conducción de corriente del cable que elijamos. Si el cable es demasiado pequeño, podría producirse un sobrecalentamiento (o incluso una fusión).

En muchos casos a lo largo de este sitio web mostramos ejemplos de LEDs cableados utilizando nuestro cable magnético recubierto #38. Elegimos este tamaño de cable por razones muy específicas. Es lo suficientemente pequeño (diámetro de 0,0045″ incluyendo el recubrimiento aislante) para aparecer como prototipo de alambre o cable en la mayoría de los proyectos, incluso en la escala Z, y es lo suficientemente grande para suministrar corriente a dispositivos de iluminación de 20ma (como nuestros LEDs) con un factor de seguridad extra del 50%. Tal y como se especifica, el cable de cobre sólido del nº 38 tiene una capacidad nominal de 31,4ma y una capacidad máxima de 35,9ma. Podríamos haber seleccionado el cable #39, con un valor de corriente nominal de 24,9ma, pero pensamos que esto no permitiría con seguridad las fluctuaciones en los valores de las resistencias o las variaciones individuales de los LED. Además, el diámetro ligeramente más pequeño (.004″ en lugar de .0045″) probablemente no haría una diferencia notable en el modelado.

Volviendo a la Figura 1; se puede ver en este ejemplo el requisito de corriente para cada par de LED / resistencia, se suma a la siguiente, y sigue la regla de circuito paralelo (# 1) anterior. No podríamos usar con seguridad nuestro cable magnético #38 para todo este circuito. Por ejemplo, el puente del cátodo del LED inferior al terminal negativo de la batería llevará 60ma. Nuestro cable se sobrecalentaría rápidamente y posiblemente se fundiría causando un circuito abierto. Por esta razón, la Figura 1 es sólo una forma fácil de representar «esquemáticamente» cómo deben conectarse los componentes para el correcto funcionamiento del circuito.

En la vida real, nuestro proyecto de cableado real se parecería más a la Figura 2. En este caso, podemos utilizar con seguridad nuestro cable #38 para todo excepto la conexión entre el terminal positivo de la batería y el interruptor. En este caso, necesitaríamos al menos el cable #34 (79,5ma nom.), pero probablemente usaríamos algo como el cable aislado #30 de Radio Shack. Es barato, fácilmente disponible, y llevará 200ma (nominal spec.). Bastante grande para nuestra aplicación. También, probablemente no soldaríamos las tres resistencias juntas en un extremo como hemos mostrado, sólo usaríamos otro pedazo de ese #30 para conectar sus extremos comunes juntos y al interruptor.

Las maquetas de ferrocarril pueden llegar a ser eléctricamente complejas implicando todo tipo de requisitos de cableado para cosas como la energía de la pista, la conmutación, la iluminación, la señalización, el DCC, etc.; cada uno con diferentes necesidades potenciales de corriente. Para ayudar en la planificación de estas cosas, una tabla de los tamaños de cable común (cobre sólido de una sola hebra) y sus capacidades de transporte de corriente está disponible aquí.

El circuito de LEDs cableado en serie

Este circuito es un simple circuito en serie para alimentar tres LEDs. Notarás dos diferencias principales entre éste y el circuito en paralelo. Todos los LEDs comparten una única resistencia limitadora, y los LEDs están conectados de ánodo a cátodo en forma de «cadena». Siguiendo la regla #2 anterior, la fórmula que utilizaremos para determinar nuestra resistencia limitadora es una variación más de la fórmula que utilizamos anteriormente. La fórmula en serie para el circuito anterior se escribiría de la siguiente manera:

La única diferencia real aquí, es que nuestro primer paso es sumar los voltajes de los dispositivos para el número de LEDs que estamos utilizando juntos, luego restar ese valor de nuestra tensión de alimentación. Ese resultado se divide por la corriente de nuestros dispositivos (normalmente 20ma o .020). Sencillo, ¿verdad? Recuerda que también debes tener en cuenta la regla nº 3. Es decir, multiplica la tensión de alimentación por el 90% (0,9) y asegúrate de que la suma de las tensiones de todos los dispositivos (LED) no supera ese valor. Eso es todo, casi…

Necesitamos saber qué tipo de cable vamos a utilizar, así que ¿qué tipo de consumo de corriente podemos esperar de este tipo de circuito? Pues bien, en el circuito en paralelo anterior, para tres LEDs a 20ma cada uno, estaríamos consumiendo 60ma en la batería. Así que… ¿60ma? No. En realidad, algo menos de 20ma para los tres LEDs. Lo llamaremos 20 para simplificar.

Otra forma de enunciar las reglas 1 y 2 anteriores sería:

1. En un circuito en paralelo, el voltaje del dispositivo es constante, pero la corriente requerida para cada dispositivo se suma para obtener la corriente total.

2. En un circuito en serie, la corriente del dispositivo es constante, pero el voltaje requerido es la suma de todos los voltajes del dispositivo (sumados).

Vamos a trabajar a través de algunos ejemplos utilizando una batería de 9 voltios (o fuente de alimentación):

Ejemplo #1

Queremos conectar dos de nuestros 2×3 LEDs superblancos en serie.

1. Primero, determinamos la tensión del dispositivo, que es de 3,6 voltios y la sumamos para dos LEDs (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Ahora que tenemos esta cantidad, vamos a asegurarnos de que no viola la regla #3. El 80% de 9 voltios es 7,2 voltios (.8 x 9 = 7,2). Las cantidades son iguales. No estamos por encima del 90%, así que podemos proceder.

3. A continuación, restamos esta cantidad de 7,2 de nuestra tensión de alimentación (9 voltios) y obtenemos el resultado que es 1,8 (esta es la parte Vs-Vd).

4. Entonces, dividimos 1,8 por la corriente de nuestro dispositivo que es 20ma, o .02. Nuestra respuesta es 90. Como una resistencia de 90 ohmios no es estándar, escogeremos el siguiente valor más alto (100 ohmios). Esta resistencia ligeramente más alta no hará ninguna diferencia en el brillo de los LEDs.

5. Finalmente, ya que nuestro consumo de corriente es sólo 20ma total, podríamos utilizar nuestro cable #38 para todo, si quisiéramos.

Ejemplo #2

Queremos conectar cuatro de nuestros Micro LEDs rojos en serie. ¿Qué resistencia debemos utilizar?

1. Encontramos que el voltaje del dispositivo es de 1,7 voltios. Para cuatro LEDs sería de 6,8 voltios (4 x 1,7 = 6,8).

2. Ahora que tenemos esta cantidad, vamos a asegurarnos de que no viola la regla #3. El 90% de 9 voltios es 7,2 voltios (.8 x 9 = 7,2). Y, 6,8 es menos que 7,2. Sí, estamos bien.

3. A continuación, restamos esta cantidad de 6,8 de nuestra tensión de alimentación (9 voltios) y obtenemos el resultado que es 2,2 (esta es la parte Vs-Vd).

4. Por último, dividimos 2,2 por la corriente de nuestro dispositivo que es 20ma, o .02. Nuestra respuesta es 110. Resulta que 110 ohmios es un valor de resistencia estándar, así que no tenemos que elegir el valor más alto disponible (¡nunca elijas un valor más bajo!). Utilizaremos una resistencia de 110 ohmios 1/8 vatios 1%.

Ejemplo #3

Queremos conectar tres de nuestros Micro LEDs superblancos juntos en serie.

1. El voltaje del dispositivo es de 3,5 voltios. Así que para tres LEDs serán 10,5 voltios, y… tenemos un problema. Esta cantidad no sólo viola la regla #3 anterior, sino que excede nuestra tensión de alimentación. En este caso, nuestros LEDs ni siquiera se encenderán. En esta situación, si necesitamos tres de estos LEDs, necesitaremos una fuente de alimentación que suministre al menos 11,67 voltios (eso es lo que 10,5 sería el 90%), o tendremos que conectar sólo dos en serie y el tercero por separado, con su propia resistencia (un circuito en serie/paralelo, pero más sobre esto en breve). En este caso, tendremos dos tipos de circuitos conectados a una fuente de alimentación común. El esquema sería el siguiente:

De nuevo, podemos utilizar nuestro cable #38 para todo, excepto para la conexión entre la fuente de alimentación y el interruptor. Para determinar qué resistencias limitadoras se necesitan aquí, simplemente calculamos cada segmento del circuito por separado. No importa qué segmento se determine primero, pero haremos el de un solo LED/resistencia. Para ello utilizamos nuestra fórmula original:

Sabemos que Vs (para estos ejemplos) es de 9 voltios. Y. sabemos que Vd es 3,5 voltios e I es 20ma. Entonces, (9 – 3,5) = 5,5 ÷ .020 = 275. Eso no es una resistencia de valor estándar, así que usaremos una resistencia de 300 ohmios aquí.

Ahora, calcularemos el par de LEDs en serie. La fórmula para sólo dos LEDs sería:

De nuevo, Vs es 9 voltios, por lo que 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, y eso es un valor de resistencia estándar. Ya hemos terminado. Ahora podemos cablear este ejemplo y todo funcionará correctamente.

Superliner Kato Amtrak iluminado con luces EOT

Aquí está el esquema de un vagón de pasajeros cableado para la iluminación utilizando un puente rectificador y 600μf de capacitancia para asegurar que se suministra corriente continua de polaridad estable sin parpadeo a todos los LEDs. Un LED superblanco ilumina el interior del vagón y dos Micro LED rojos proporcionan las luces de fin de tren. Se ha añadido un interruptor para poder desactivar la función EOT, si se desea. Un ejemplo de funcionamiento de este coche (con 800μf de control de parpadeo) se puede ver aquí.

El circuito de LEDs en serie/paralelo

Aquí, hemos ampliado un poco nuestro ejemplo #3 anterior. Tenemos tres grupos de pares de LEDs en serie. Cada uno es tratado como un circuito separado para propósitos de cálculo, pero están conectados juntos para una fuente de energía común. Si todos estos fueran nuestros Micro LEDs superblancos, ya sabemos todo lo necesario para construir este circuito. Además, sabemos que cada par en serie consumirá 20ma de corriente, por lo que el total en la fuente de alimentación será de 60ma. Bastante sencillo.

Lo interesante de los circuitos LED en serie/paralelo es la facilidad con la que se puede ampliar el número de luces en una fuente de alimentación determinada. Por ejemplo, nuestra fuente de alimentación conmutada N3500. Proporciona 1 Amperio (1000ma) de corriente a 9 voltios.

Usando nuestro circuito paralelo anterior, podríamos conectar hasta 50 de nuestros LEDs 2×3, o Micro, o Nano Superblancos (o cualquier combinación igual a 50), cada uno con su propia resistencia limitadora, y esta pequeña fuente lo manejaría. Eso probablemente sería suficiente para una ciudad de tamaño decente. Ahora, si somos un poco más listos, podríamos utilizar algunos circuitos en serie/paralelo y ampliar fácilmente esta cantidad, aún con una sola alimentación. Si todos fueran en serie/paralelo, podríamos hacer funcionar 100 luces. Hipotéticamente, si estuviéramos haciendo un proyecto usando nuestros LEDs rojos N1012 Micro (voltaje de dispositivo de 1,7 voltios), podríamos hacer funcionar 400 LEDs con nuestra pequeña fuente. Sin embargo, es una idea bastante extraña. ¿Gafas oscuras alguien?

Para más detalles sobre el uso de nuestra fuente de alimentación conmutada para sus proyectos de maquetas o dioramas, haga clic aquí.

No olvide la regla nº 4. Al crear grupos en serie, asegúrese de que los voltajes de los dispositivos y los requisitos de corriente sean muy similares. Basta con decir que la mezcla de LEDs con grandes diferencias de voltaje de dispositivo o requisitos de corriente en el mismo grupo en serie no producirá resultados satisfactorios.

Por último, sea imaginativo. Puede mezclar y combinar. Circuitos en serie, en paralelo, LEDs de un solo cable, circuitos en serie/paralelo, grupos blancos, grupos rojos, amarillos, verdes, lo que sea. Siempre que calcule cada caso para la resistencia limitadora adecuada y observe sus esquemas de cableado para el tamaño correcto de los cables, sus proyectos de iluminación funcionarán con resultados muy satisfactorios.

Otra cosa, para aquellos de ustedes que se sienten incómodos trabajando «a mano» con las fórmulas anteriores, hemos creado varias calculadoras para hacer los cálculos por usted. Todo lo que tienes que hacer es introducir los valores y hacer clic en el botón «calcular». Puedes encontrarlas haciendo clic aquí.

… QUE SE HAGA LA LUZ …