LED: tipos, colores y dimensionado fino

01 · Punto de partida

Tres LED y un solo resistor

En los Temas 15 y 16 el diodo trabajó como válvula. El LED es el mismo componente con un efecto adicional: parte de la energía que se queda al conducir sale en forma de luz. Todo lo que sabés de diodos vale para él, y por eso mismo arrastra un problema que hasta ahora no importó.

No eran iguales. Entre dos LED del mismo modelo hay diferencias de una o dos décimas de volt en su tensión directa, y como la curva de un diodo es tan empinada, esa décima alcanza para que uno conduzca varias veces más corriente que su vecino. El que menos tensión necesitaba se quedó con casi toda la corriente, y al morir le pasó la carga a los demás.

Un programador ve acá un reparto de carga sin balanceo: tres servidores detrás de un único límite global, donde el más rápido atiende casi todo hasta caerse, y entonces su carga se vuelca sobre los que quedan. La solución es la misma en los dos mundos: un límite por cada uno.

• ¿Por qué un LED azul no se puede calcular con los «2 V» de uno rojo?
• ¿Qué significan las milicandelas y el ángulo de una hoja de datos?
• ¿Cuánta corriente hace falta para que un LED se vea bien?
• ¿Cómo se elige el resistor para que el brillo no dependa de cada unidad?
• ¿Cuántos LED se pueden poner en serie, y cómo se conectan en paralelo?

02 · Identificar

El color es el material

Un LED (del inglés Light-Emitting Diode, «diodo emisor de luz») es una unión como la de cualquier diodo, hecha con materiales en los que la energía de cada carga que cruza sale como luz en lugar de calor. El color de esa luz lo fija el material, no la cápsula: un LED azul con la cápsula transparente emite luz azul.

Y hay una relación directa entre el color y la tensión. La luz azul tiene más energía que la roja, y para producirla cada carga tiene que «caer» desde más alto: el LED necesita más volts. Por eso la tensión directa de un LED depende de su color.

Hay dos familias

Los de alrededor de 2 V (rojo, naranja, amarillo, verde clásico) y los de alrededor de 3,2 V (azul, blanco, verde puro). Calcular uno de la segunda familia con los «2 V» de la primera da un resistor demasiado grande y un LED tenue; hacerlo al revés, una corriente excesiva.

Los dos verdes

Existen dos LED «verdes» muy distintos. El clásico es amarillento y pertenece a la primera familia. El verde puro, el de los semáforos modernos, pertenece a la segunda. Mirándolos apagados no se distinguen: lo dice la hoja, o el multímetro.

El blanco no existe como color de LED

Es un LED azul recubierto con un material que absorbe parte del azul y lo reemite en amarillo; la mezcla se ve blanca. Por eso su tensión es la del azul, y por eso los hay «fríos» y «cálidos» según esa capa.

Un LED no enciende con menos que su tensión

Con una pila de 1,5 V no enciende ninguno. Con dos pilas, 3 V, encienden los de la primera familia y apenas los de la segunda. Es la escena del Tema 15, vista desde el LED.

03 · Características

Lo que dice la hoja de un LED

La hoja de un LED tiene los renglones de cualquier diodo, con los valores propios de la familia, y dos que solo tienen los LED: cuánta luz da y hacia dónde.

Milicandelas y ángulo: se leen juntos

La intensidad luminosa se mide en milicandelas (mcd), y es la luz que el LED emite en una dirección, la de su eje. No es la luz total. Un mismo chip, con una cápsula que concentra el haz, da muchas más milicandelas que con una que lo reparte.

Comparar dos LED por sus milicandelas sin mirar el ángulo es comparar dos mangueras por la distancia a la que llega el chorro, sin mirar cuánta agua sale. Para un indicador, un LED difuso de 200 mcd suele ser mejor elección que uno transparente de 10 000.

04 · Características

Corriente y brillo

La luz que emite un LED es, con buena aproximación, proporcional a la corriente: con el doble de corriente sale el doble de luz. Lo que no es proporcional es cómo la vemos.

El ojo, como el oído en el Tema 8, responde a proporciones y no a diferencias. Para que una luz parezca «el doble de brillante» hace falta mucho más que el doble de luz. La consecuencia práctica es grande:

1. 1
   Los últimos miliamperes casi no se ven.

   Pasar de 10 a 20 mA duplica el consumo y el calor, acorta la vida del LED, y a la vista apenas cambia.

2. 2
   Un indicador no necesita 15 mA.

   Esa costumbre viene de los LED de hace décadas. Uno actual de buen brillo se ve bien con 1 o 2 mA. En un equipo a pila, la diferencia entre 15 mA y 1 mA es la diferencia entre días y meses.

3. 3
   Para atenuar, no conviene bajar la corriente.

   Con muy poca corriente, algunos LED cambian levemente de color. El método habitual es encenderlos y apagarlos muy rápido, variando qué fracción del tiempo están encendidos: la modulación por ancho de pulso que hiciste a mano en el Tema 12.

05 · Selección

El resistor, con margen

La fórmula la conocés desde el Tema 1: el resistor se queda con la tensión que al LED le sobra, y su valor es esa tensión dividida por la corriente deseada.

Lo que ahora cambia es el segundo dato, que depende del color:

La celda marcada es la que importa. Con 3,3 V y un LED de 3,2 V, la cuenta da un resistor de apenas 7 Ω. La fórmula no protesta, pero ese diseño no funciona, y entender por qué es el centro de este tema.

Por qué el resistor necesita tensión para trabajar

El resistor fija la corriente porque la tensión que le queda, dividida por su valor, es un número estable. Pero la tensión del LED no es fija: varía ±0,2 V de una unidad a otra, y cambia con la temperatura. Esa variación se resta de lo que le queda al resistor.

En el primer diseño, el resistor trabaja con una décima de volt, y una variación de dos décimas en el LED es el doble de todo su presupuesto: la corriente puede valer cualquier cosa entre 6 y 31 mA. En el segundo, con 1,8 V sobre el resistor, la misma variación mueve la corriente apenas un 10 %.

Y la verificación del Tema 6 sigue en pie: la potencia en el resistor. Para un LED solo con hasta 20 mA y fuentes de hasta 12 V, un resistor de 1/4 W alcanza siempre: en el peor caso disipa 0,2 W.

06 · Selección

Varios en serie

En serie, la misma corriente atraviesa todos los LED. Eso los hace brillar igual sin importar las diferencias entre ellos, y alcanza con un solo resistor para toda la cadena. Las tensiones se suman:

La cantidad máxima sale de la regla del margen: la suma de las tensiones de los LED tiene que dejar al menos 1 o 2 V para el resistor.

La ventaja

Eficiencia. Tres LED en serie consumen los mismos 15 mA que uno solo. La energía que antes se perdía en el resistor ahora produce luz.

La desventaja

Si uno falla abierto, se apagan todos, como en las guirnaldas antiguas. Y hace falta una fuente de tensión más alta que la suma.

Cuántos entran

Con 5 V: un LED azul o blanco, o dos rojos con el margen justo. Con 12 V: tres azules o blancos, o cuatro o cinco rojos. Es la razón por la que las tiras de LED son de 12 V y vienen en grupos de tres.

07 · Selección

Varios en paralelo

En paralelo, todos los LED tienen la misma tensión entre sus terminales. Y ahí está el problema de la escena: con la misma tensión, dos LED apenas distintos conducen corrientes muy diferentes.

El diseño preveía unos 13 mA para cada uno. En la práctica, el de menor tensión se lleva más de cinco veces lo que el de mayor tensión, y trabaja por encima de su máximo. Además, un LED que se calienta baja su tensión directa, con lo cual toma todavía más corriente y se calienta más. Cuando muere, la corriente total se reparte entre los que quedan, y el proceso se repite.

La ventaja del paralelo bien hecho

Independencia. Cada LED se puede encender y apagar por separado, y si uno falla los demás siguen. Es el semáforo del curso 1: tres LED, tres resistores.

La desventaja

Consumo. Tres ramas de 15 mA son 45 mA, el triple que la misma cantidad en serie, y la mayor parte de la energía se va en los resistores.

Lo que se hace con muchos LED

Se combinan las dos formas: varias cadenas en serie, cada una con su resistor, puestas en paralelo. Así es una tira de LED de 12 V.

08 · Identificar

Tipos de LED

Con el mismo principio se fabrican piezas muy distintas. Estas son las que vas a encontrar, y lo que cambia al usarlas.

RGB: ánodo común o cátodo común

La pata larga puede ser el positivo compartido por los tres (ánodo común) o el negativo compartido (cátodo común). No se distinguen a la vista, y cambia toda la conexión. Se averigua con el multímetro, como en la sección 10.

Por qué un LED de potencia no usa un resistor

Con 350 mA, un resistor que deje 2 V de margen disipa 0,7 W: se pierde casi tanto como lo que ilumina. Y el LED, al calentarse, cambia su tensión. Se usa un circuito que mide la corriente y la mantiene constante.

09 · Simulador

Diseñador de LED

Elegí la fuente, el color, cuántos LED, cómo se conectan y qué corriente querés en cada uno. El simulador calcula el resistor, lo redondea a un valor comercial y muestra la corriente real de cada LED.

• Los círculos son los LED: su brillo sigue a la corriente, tal como la percibirías.
• Las barras de la derecha muestran la corriente de cada uno, con el máximo de 20 mA marcado.
• Los cuatro LED del banco no son idénticos: como en una bolsa real, sus tensiones directas difieren en hasta una décima de volt.

Recorrido guiado (7 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: tres LED blancos en paralelo, 5 V y un solo resistor. Las tres barras son muy distintas, y una pasa de los 20 mA. Cambiá la conexión a «un resistor por LED»: las tres barras se emparejan.

2. 2
   Con un resistor por LED, cambiá el color a rojo.

   El resistor cambia de valor: con la misma fuente y la misma corriente, el color entra en la cuenta.

3. 3
   Volvé a blanco, dejá un solo LED y bajá la fuente a 3,3 V.

   Al resistor le queda una décima de volt. El simulador marca que no hay margen: con ese diseño, la corriente depende de la unidad.

4. 4
   Con 9 V, LED rojos en serie y 15 mA, subí la cantidad de 1 a 4.

   El consumo total no se multiplica: se mantiene cerca de los 15 mA de uno solo. Pero lo que le queda al resistor baja de 7 V a 1 V, y con cuatro aparece la advertencia de margen justo.

5. 5
   Probá tres LED blancos en serie con 5 V, y después con 12 V.

   Con 5 V no encienden: hacen falta 9,6 V. Con 12 V funcionan, y sobran 2,4 V para el resistor. Es el diseño de una tira de LED.

6. 6
   Con un LED rojo y 5 V, bajá la corriente de 20 a 1 mA.

   Mirá el círculo: el brillo cae mucho menos que la corriente. A 2 mA sigue siendo un indicador perfectamente visible, con la décima parte del consumo.

Preguntas para pensar

1. En el paso 1, los tres LED tienen exactamente la misma tensión entre sus terminales. ¿Por qué no conducen la misma corriente?
2. En el paso 4, ¿por qué cuatro LED en serie consumen lo mismo que uno?
3. En el paso 3, ¿qué harías para encender bien un LED blanco con una fuente de 3,3 V?

10 · Verificar

Verificar con el multímetro

El modo diodo, que en el Tema 15 identificaba el tipo de diodo, con un LED dice todavía más: a qué familia de color pertenece, aunque la cápsula sea transparente y esté apagado.

Por qué marca menos que la tabla de colores

Porque el multímetro prueba con una corriente de alrededor de un miliamper, y la tensión directa de la tabla es a 20 mA. Es la misma diferencia que viste con los diodos.

Si no enciende ni marca

Antes de descartar un LED azul o blanco, probalo con una fuente de 5 V y un resistor de 1 kΩ. Muchos multímetros no entregan suficiente tensión para esa familia.

Identificar un RGB

Apoyá la punta negra en la pata larga y recorré las otras tres con la roja. Si enciende un color en cada una, es de cátodo común. Si no enciende ninguno, invertí las puntas: si ahora encienden, es de ánodo común.

11 · El LED en código

Resistor, margen, serie y paralelo

El resistor, con el margen verificado

La función del Tema 1, completada con el color, la cantidad en serie y la regla del margen. Calcula también el rango de corriente por la dispersión de ±0,2 V entre unidades.

VF = {"infrarrojo": 1.3, "rojo": 2.0, "amarillo": 2.1, "verde": 2.2, "azul": 3.2, "blanco": 3.2}
E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]


def valor_comercial(ohm):
    candidatos = [base * 10 ** decada / 10 for decada in range(6) for base in E12]
    return min(v for v in candidatos if v >= ohm)


def disenar(v_fuente, color, i_ma, cantidad=1, dispersion=0.2):
    sobra = v_fuente - cantidad * VF[color]
    etiqueta = f"{cantidad} x {color} con {v_fuente} V"
    if sobra <= 0:
        print(f"{etiqueta}: no encienden, hacen falta más de {cantidad * VF[color]:.1f} V")
        return None
    r = valor_comercial(sobra / (i_ma / 1000))
    nominal = sobra / r * 1000
    maxima = (sobra + cantidad * dispersion) / r * 1000
    minima = max(0, sobra - cantidad * dispersion) / r * 1000
    aviso = "" if sobra >= 1 else "  <-- SIN MARGEN: menos de 1 V sobre el resistor"
    print(f"{etiqueta}: {r:g} ohm, {nominal:.1f} mA (de {minima:.0f} a {maxima:.0f}), "
          f"quedan {sobra:.1f} V{aviso}")
    return r


disenar(9, "rojo", 15)
disenar(9, "azul", 15)
disenar(5, "blanco", 15)
disenar(3.3, "blanco", 15)
print("En serie con 9 V:")
for n in (1, 3, 4, 5):
    disenar(9, "rojo", 15, cantidad=n)

Este cálculo usa una caída fija por LED, así que sus rangos son algo más amplios que los del simulador. Probá disenar(12, "blanco", 15, cantidad=3): es una tira de LED.

Cuántos entran en serie

VF = {"rojo": 2.0, "amarillo": 2.1, "verde": 2.2, "azul": 3.2, "blanco": 3.2}


def maximo_en_serie(v_fuente, color, margen=1.0):
    return int((v_fuente - margen) // VF[color])


print("fuente   " + "  ".join(f"{c:>8}" for c in VF))
for fuente in (3.3, 5, 9, 12, 24):
    fila = "  ".join(f"{maximo_en_serie(fuente, c):>8}" for c in VF)
    print(f"{fuente:>4} V   {fila}")

print("Consumo de 6 LED rojos a 15 mA con 12 V:")
print("  seis ramas en paralelo: 6 x 15 = 90 mA")
print(f"  dos cadenas de tres en serie: 2 x 15 = 30 mA (resistor calculado: "
      f"{(12 - 3 * 2.0) / 0.015:.0f} ohm por cadena)")

La tabla usa el margen mínimo de 1 V. Cambiá margen=1.0 por 2.0: ¿en qué casos entra un LED menos? ¿Qué se gana a cambio?

El reparto en paralelo con un solo resistor

La escena, calculada. Cada LED tiene su propia curva; se busca la tensión común para la cual la suma de las tres corrientes iguala a la que deja pasar el resistor.

from math import log


def tension_del_led(amperes, vf_a_20ma):
    # Curva típica: sube con el logaritmo de la corriente y con una pequeña resistencia interna
    return vf_a_20ma + 0.05 * log(amperes / 0.02) + 6 * (amperes - 0.02)


def corriente_del_led(volts, vf_a_20ma):
    bajo, alto = 1e-9, 0.3
    for _ in range(60):
        medio = (bajo + alto) / 2
        bajo, alto = (bajo, medio) if tension_del_led(medio, vf_a_20ma) > volts else (medio, alto)
    return bajo


def reparto(v_fuente, r, leds):
    bajo, alto = 0.0, v_fuente
    for _ in range(60):
        medio = (bajo + alto) / 2
        piden = sum(corriente_del_led(medio, vf) for vf in leds)
        bajo, alto = (bajo, medio) if piden > (v_fuente - medio) / r else (medio, alto)
    return [corriente_del_led(bajo, vf) * 1000 for vf in leds]


leds = [3.1, 3.2, 3.3]
while leds:
    corrientes = reparto(5, 47, leds)
    detalle = ", ".join(f"{vf} V -> {i:.0f} mA" for vf, i in zip(leds, corrientes))
    peor = max(corrientes)
    print(f"{len(leds)} LED con un resistor de 47 ohm: {detalle}")
    if peor <= 20:
        break
    print(f"   el de {leds[corrientes.index(peor)]} V supera los 20 mA y termina quemándose")
    leds.pop(corrientes.index(peor))

Probá con tres LED idénticos, leds = [3.2, 3.2, 3.2]. Funciona, y por eso el error pasa las pruebas: en la mesa, con piezas del mismo lote, a veces no se nota.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: el resistor según el color

Calculá el resistor, redondeado al valor E12 igual o superior, y la corriente real.

1. Un LED rojo (2,0 V) con 5 V, para 10 mA.
2. Un LED azul (3,2 V) con 5 V, para 10 mA.
3. Un LED blanco (3,2 V) con 12 V, para 15 mA.
4. Un LED rojo con 5 V, como indicador de bajo consumo, para 2 mA.

Ejercicio 2: ¿hay margen?

Para cada diseño, calculá cuánta tensión le queda al resistor y decí si cumple la regla del margen.

1. Un LED verde puro (3,2 V) con una fuente de 3,3 V.
2. Dos LED rojos en serie con 5 V.
3. Tres LED blancos en serie con 12 V.
4. Cuatro LED rojos en serie con 9 V.

Ejercicio 3: seis LED

Tenés que encender seis LED rojos a 15 mA con una fuente de 12 V. Proponé dos formas de conectarlos, con sus resistores, y compará el consumo total.

Ejercicio 4: diagnosticar una tira

Una tira de LED de 12 V tiene un tramo de tres LED apagado, y el resto funciona. Después, otra tira muestra un solo LED apagado y todos los demás encendidos. Explicá qué pasó en cada caso.

Ejercicio 5: la escena, en el simulador

Con tres LED blancos en paralelo, 5 V y 13 mA deseados, anotá la corriente de cada LED con un solo resistor y con un resistor por LED. ¿Cuál es la relación entre el que más conduce y el que menos, en cada caso?

Ejercicio 6: clasificá tus LED

Con las piezas reales. Medí en modo diodo todos los LED que tengas y anotá la lectura de cada uno. Separalos en las dos familias. Después, con una fuente de 5 V, calculá y probá el resistor para 2 mA en uno de cada familia.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 18?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir la tensión directa aproximada de un LED rojo y de uno azul.
• Calcular el resistor de un LED azul con 5 V para 10 mA.
• Explicar por qué un LED de 3,2 V no se debe alimentar desde 3,3 V con un resistor.
• Decir cuántos LED rojos conviene poner en serie con 9 V.
• Explicar por qué tres LED en paralelo con un solo resistor se queman de a uno.
• Decir qué corriente alcanza para un indicador en interiores.
• Explicar qué diferencia hay entre un LED de 10 000 mcd y 15° y uno de 200 mcd y 60°.

El LED es un diodo que aprovecha lo que pasa en directa. Hay otro que hace algo útil en el sentido contrario: se lo conecta al revés a propósito, y mantiene entre sus terminales una tensión fija. En el próximo tema, el diodo Zener: regulación y límites.