Tensión, Corriente, LEDs y Resistencias: Ingredientes de una ensalada luminosa

Muchos seres humanos somos como los insectos, la luz nos atrae, nos conmueve, nos encandila y vamos hacia ella embelesados por su atrapante resplandor. Cuando deseamos crear nuestras propias luminarias LED, no siempre es suficiente un cálculo simple aplicando la Ley de Ohm, porque hay que tener en cuenta que no todo el mundo sabe como utilizarla en diferentes aplicaciones. Es decir, copiar un circuito no significa saber utilizar los LEDs para crear diseños propios, por lo tanto, en este artículo de Electrónica Básica, intentaremos analizar algunos conceptos sencillos para que nuestra futura relación con los LEDs sea tan simple como preparar una rica ensalada de verduras y legumbres, que en este caso, brillará con luz propia.

En entregas anteriores, aquí en NeoTeo, vimos como se comportaban los diodos en general y dimos un vistazo a algunos conceptos sobre cómo utilizar la Ley de Ohm para calcular la resistencia limitadora que todo diodo LED simple, siempre debe llevar. Hoy haremos todo mucho más desmenuzado, más elemental, sencillo y práctico; comenzaremos analizando los elementos que nos entregarán la energía necesaria para hacer funcionar nuestros circuitos con LED y nuestra cita inicial (y obligada) es con las baterías (o pilas). Este tipo de “fuente de energía” posee en sus bornes de conexión dos elementos que son bien diferentes y que nos permiten entregar energía a nuestros circuitos (cualquiera sea). Estos elementos son Tensión o Voltaje (Volts)  y capacidad de entregar Corriente (Amper) al circuito que conectemos. Volvamos y caminemos despacio. Tensión es el “potencial” de energía que puede entregar a nuestro circuito y debemos tomarlo como “potencial” (hipotético, supuesto) porque no sabemos cuánto provecho obtendremos de ese potencial, hasta el momento en que intentemos acceder a él. Ahora imagínalo como un tanque de agua, elevado a una determinada altura.

Esa altura y la cantidad de agua que existan dentro del tanque tendrán una energía potencial, por ejemplo, de riego. Si el caño de bajada de agua es de diámetro pequeño, la cantidad de agua que hay en el tanque durará un buen tiempo hasta que se termine, hasta que el tanque se vacíe. Si en cambio la cañería de salida es de gran diámetro, el tanque se vaciará más rápidamente. ¿Qué tenemos allí, con ese ejemplo? La analogía de la tensión, que sería el tanque de agua elevado, que tiene un potencial para entregar agua y la analogía de la corriente. A mayor diámetro de cañería tendremos mayor corriente y el potencial disminuirá en forma rápida (la batería se descarga). Si en cambio la cañería es más fina, el potencial demorará más tiempo en perder su capacidad de ofrecer energía (en el caso de este ejemplo, agua). Si lo llevamos más a práctica aún, un par de baterías AA pueden alimentar un mando a distancia durante un año, pero si le exigimos que alimenten dos dispositivos, en lugar de uno, su duración se reducirá notablemente. O sea, volviendo a la analogía, estaremos extrayendo mayor cantidad de agua en el mismo tiempo del tanque y por lógica, su potencial de entregar energía disminuirá más rápido de lo habitual.

Por lo tanto, lo importante es comprender que un conjunto de baterías AA sumadas en serie hasta alcanzar los 12Volts (8 * 1,5Volts = 12Volts) nunca lograrán hacer funcionar el encendido de un automóvil, porque podrán tener el potencial (tensión) de 12Volts, como el de un acumulador, pero nunca alcanzarán a entregar la corriente que el coche necesita. En el momento del arranque un coche consume mucho más de 200 Amperes de corriente mientas que las baterías AA (alcalinas) nunca llegarán a superar los 3 Amperes (como valor exagerado).  Este conjunto nunca alcanzará a entregar la energía necesaria (más de 3500W = 3,5KW). A la energía entonces, podemos relacionarla en forma directa (sin necesidad de entrar en demasiados tecnicismos y cálculos) al potencial o tensión que una fuente de energía puede tener y a la capacidad de entregar corriente que ésta puede brindarle a un circuito. Estos valores son muy fáciles de ver en las baterías en leyendas como “12V – 7AMP”, “1,2V – 2900mAh”, “9V – 400mAh” y así de muchas formas, valores y colores.

Estos números nos ilustran sobre lo que podremos obtener de nuestra batería o fuente de alimentación. No olvidemos que las fuentes de alimentación que se conectan directamente a la pared, también presentan los valores de trabajo que poseen, como el ejemplo de la imagen anterior. Dos números importantes, Tensión y Corriente. En el caso de las baterías el potencial (o tensión) se agota o decae durante el consumo, en cambio para las fuentes de pared, se mantienen constantes y son una buena elección cuando no necesitamos un uso móvil o portátil.

Ahora la imaginación debe jugar de nuestro lado
Por ejemplo, necesitamos alimentar un circuito que sabemos de antemano que debe trabajar con 12Volts y necesita una corriente de 0,1A (Amper) o, dicho de otro modo, 100mA. Las opciones son varias, repasémoslas juntos:

• 8 Baterías Alcalinas en serie (1,5 X 8 = 12Volts) nos brindarán la tensión necesaria y una corriente de hasta 3Amperes. 30 veces 100mA sumarían 3Amperes. Esto significa que en un uso continuo, podríamos trabajar hasta más de 20 horas y en un uso interrumpido (ejemplo: una hora por día) llegaríamos hasta más de un mes.

• 1 Batería Lead-Acid de 12Volts 7Amperes nos puede brindar casi tres días en forma continua o muchos meses con un uso interrumpido.

• Una fuente de pared de 12Volts 300mA nos alimentará sin problemas (le exigiremos un 30% de su capacidad máxima) nuestra aplicación todo el tiempo que se nos antoje (mientras no haya cortes de energía, claro)

Por lo tanto,  ya tienes una herramienta elemental en tus manos; ya sabes que necesitas energía lista para ser entregada. No importa cuánta sino la suficiente, ya que para el ejemplo anterior puedes usar un acumulador de automóvil (con capacidad de entregar hasta 100Amperes) y tu circuito sólo extraerá, de esa fuente de energía, lo que necesite para trabajar. Mientras el potencial o tensión sea el que necesitas, la corriente absorbida estará determinada por tu circuito, por lo que él pida, no por la fuente de energía. Ella es capaz de entregar la corriente que le exijas y siempre manteniendo su potencial o tensión (hasta que comience a descargarse, claro) De hecho, tu ordenador en este momento está conectado a una red de energía que sería capaz de alimentar un frigorífico enorme y como debes entender, el ordenador solo tomará la corriente necesaria de ese potencial que hay en la red. Volviendo al agua, podemos también asociarlo a una llave de paso. Quién gobierna esa llave es tu equipo; más allá de eso, la red tiene el potencial suficiente (cantidad de agua en el tanque) para entregar energía a cualquier dispositivo eléctrico de tu hogar, donde cada uno tomará la cantidad que necesita para funcionar.

Hablemos de LEDs
Por supuesto que no nos olvidamos que estamos aquí para trabajar con LEDs, pero es bueno que comprendas los conceptos de tensión (potencial) y corriente, porque ahora los veremos y aplicaremos a fondo. Y comenzando con los LEDs podemos enunciar algunas de las leyes fundamentales que rigen el funcionamiento de estos dispositivos “electro-luminiscentes”. Al igual que una lámpara incandescente, de bajo consumo o de la que fuere, un LED necesita una tensión para trabajar medida en Volts. No todos los LEDs encienden con la misma tensión y es importante aprender a conocer este valor para poder tener la libertad de diseñar circuitos con muchos de ellos. Un ejemplo rápido y sencillo: se estima que un LED blanco necesita 3Volts para encender, por lo tanto, con una sola batería alcalina AAA ¿podremos encenderlo en forma directa? NO, necesitamos dos baterías en serie (como mínimo). ¿Y con tres baterías en serie? Llegamos a 4,5Volts y nos excedemos en tensión (potencial). De ese modo podemos destruir el LED, es como conectar algo que funciona a 220V en 380V. La tensión aplicada al dispositivo debe ser la nominal de trabajo, nunca más de eso, todos nos damos cuenta de eso. Entonces, ¿como hacemos para alimentar los LEDs con mayor tensión de la nominal de trabajo, por ejemplo, con 12Volts? Aquí entra en juego la Ley de Ohm.

Observa los elementos de la imagen. Una batería, una resistencia limitadora de corriente y un LED. La batería puede ser una fuente de tensión (acuérdate que ya aprendimos a no confundir tensión con corriente) de cualquier valor (siempre superior a 3Volts, claro) que puede alcanzar niveles de hasta 12Volts, 24Volts, o algo más, según lo que tengamos disponible y desde donde se nos presentará la oportunidad de extraer energía para encender el/los LEDs. Para modelos comunes y tradicionales de 3mm, 5mm o 10mm de diámetro, los LEDs trabajan con corrientes “máximas” de hasta 20/25mA (mili-amperes) o 0,02/0,025A, que es el mismo valor pero expresado con la unidad entera (Amper). Por lo tanto, un buen valor de seguridad, que nos ofrecerá un brillo casi a pleno, puede ser una corriente de 10mA. En mi caso particular, utilizo ese valor para mis diseños y los LEDs pasan a ser dispositivos eternos. Entonces, conociendo la tensión de alimentación (en el gráfico superior sería la tensión de batería), la tensión de trabajo del LED y la corriente que haremos circular por él, podemos calcular el valor de la resistencia limitadora. Es muy fácil ¿verdad?

Observa el diagrama de la izquierda. Un LED a 12Volts, trabajará con una resistencia de 820 Ohms en forma óptima. ¿Y dos LEDs? Con una de 470 Ohms (en nuestra elección). Si pasamos a tres LEDs la cuenta sería de 12Volts – 9Volts / 0,01A. El resultado daría 300 Ohms, por lo tanto utilizaríamos sin problemas una resistencia de 270 Ohms. Ahora bien, ¿Qué pasa si colocamos 4 LEDs blancos en serie? Si mantenemos la teoría de que la tensión necesaria para que el LED encienda sea de 3Volts, al colocar 4 en serie obtendríamos 12Volts, es decir, lo mismo que la alimentación. En ese caso no necesitaríamos resistencia limitadora. ¡Muy bueno! Pero cuidado, ¿Qué sucede si la tensión desciende a 11,5 por desgaste de la batería? ¡Los LEDs se apagan! (porque a menos de 3Volts cada uno, no encienden) ¿Y si la batería está bien cargada a más de 13Volts? Tenemos más de 1Volt que no se limita con ninguna resistencia y puede hacer circular corrientes peligrosas por el LED. Por lo tanto, nuestro consejo es que nunca utilices LEDs en serie, intentando igualar la tensión de alimentación y sin usar resistencia limitadora. Siempre coloca, al menos, la mitad de la tensión de alimentación en LEDs. Veamos ahora el ejemplo para LEDs en paralelo:

Los LEDs en paralelo (dos) le consumirán 20mA a la batería. En el ejemplo de la izquierda (Opción 1), esos 20mA deben pasar por la resistencia limitadora y su valor deberá estar ajustado para dejar circular esa corriente, que se dividirá en dos y provocará el encendido de los LEDs. En la Opción 2, recreamos la situación inicial con un solo LED conectado y otro a su lado, colocado en paralelo, cada uno con su resistencia limitadora. Ambos circuitos son perfectamente funcionales, pero la Opción 2 es mejor que la 1. ¿Ya descubriste porqué? Muy sencillo. Pasemos a imaginar, en lugar de 2 LEDs, unos 30 LEDs. Mientras la batería tenga posibilidades de entregar la corriente necesaria, no habrá problemas. Potencial (tensión) tiene suficiente (12Volts). En la opción 1, por la resistencia limitadora deberá circular la corriente a repartir entre los 30 LEDs. Esto es, 30*0,01A = 0,3A = 300mA. Ese valor de corriente nos pide una resistencia limitadora de 30 Ohms, la que reemplazaremos por una de 33 Ohms (valor comercial).

Hasta aquí nada extraordinario, pero ¿Qué sucede con la potencia que debe disipar en forma de calor la resistencia? La potencia sale de la fórmula “Corriente al cuadrado por Resistencia”, 0,3A * 0,3A * 33 Ohms, lo que equivale a 2,97Watts. Para poder disipar de manera cómoda esta potencia, necesitaremos una resistencia de al menos 5Watts, con el elevado trastorno mecánico y económico que eso significa. Con la opción 2 y utilizando los mismos cálculos, la potencia de las resistencias limitadoras sería de 0,082W (82mW) por lo que, las más pequeñas de todas las resistencias serían útiles (1/8W) y a su vez, más económicas que una única de mucha potencia que desperdicie mucho espacio de disipación de calor. La corriente que le extraemos a la batería, en ambos casos es la misma, pero con la opción 2 construimos un diseño libre de altas temperaturas y más económico.

Es verdad, podríamos haber levantado a Kirchhoff de su tumba y molestarlo hasta aquí para todas estas explicaciones, pero al menos a mí, me interesa que los LEDs te enciendan correctamente antes de que sepas un par de leyes que poco te ayudarán si no sabes hacia donde vas o si nunca has tenido un LED en tus manos. Además, para eso está la Universidad; NeoTeo en cambio, es un espacio dedicado a disfrutar el arte de crear y construir electrónica. Lo importante que debes saber son los conceptos de Tensión, Corriente, Tensión de LED y Corriente de LED. Aplica las fórmulas y los ejemplos de los gráficos para colocar todos los LEDs que se te ocurran en combinaciones series y paralelo, recordando cuidar siempre la corriente de LED y la potencia de la resistencia limitadora. Por supuesto, para mejorar todos los cálculos teóricos (nunca creas en ellos, siempre haz tus propias mediciones), controla con un multímetro la tensión que cae en cada LED o en la resistencia limitadora (de cualquier configuración) y de ese modo (aplicando siempre la Ley de Ohm) podrás perfeccionar al máximo la corriente de LED a valores seguros.

Recuerda: los LEDs no son perfectos y sus tensiones de trabajo varían, ya sea de una serie de fabricación a otra como de un color a otro. Por ejemplo el rojo tiene una tensión de funcionamiento de 1,8 a 2,2Volts, el amarillo de 2,1 a 2,4Volts, pero al valor exacto siempre lo determinarás tú con tus mediciones. Puedes tener referencias muy próximas, sin embargo, la palabra final, como siempre, la tienes tú. ¿Montajes prácticos? No te pierdas la próxima entrega donde desarrollaremos aplicaciones como la del video y si algo no te ha quedado claro y deseas despejar dudas de lo visto hasta aquí.