Un LED requiere un voltaje mínimo antes de que se encienda. Este voltaje varía según el tipo de LED, pero normalmente está entre 1,5 V y 4,4 V. Una vez que se alcanza este voltaje, la corriente aumentará muy rápidamente con el voltaje, limitada solo por la pequeña resistencia del LED. En consecuencia, cualquier voltaje mucho más alto que este dará como resultado una corriente muy grande a través del LED, hasta que la fuente de alimentación no pueda suministrar suficiente corriente y su voltaje disminuya, o el LED se destruya.

Arriba hay un ejemplo de la relación corriente-voltaje para un LED. Dado que la corriente aumenta tan rápidamente con el voltaje, generalmente podemos simplificar nuestro análisis asumiendo que el voltaje a través de un LED es un valor constante, independientemente de la corriente. En este caso, 2V se ve bien.

Directamente a través de la batería

Ninguna batería es una fuente de voltaje perfecta. A medida que la resistencia entre sus terminales disminuye y el consumo de corriente aumenta, el voltaje en los terminales de la batería disminuirá. En consecuencia, hay un límite a la corriente que puede proporcionar la batería. Si la batería no puede suministrar demasiada corriente para destruir su LED, y la batería en sí no se destruirá al generar tanta corriente, colocar el LED directamente sobre la batería es la forma más fácil y eficiente de hacerlo.

La mayoría de las baterías no cumplen con estos requisitos, pero algunas pilas tipo moneda sí lo hacen. Puede que los conozcas por los throwies LED .

Resistor en serie

El método más simple para limitar la corriente del LED es colocar una resistencia en serie. Sabemos por la ley de Ohm que la corriente a través de una resistencia es igual al voltaje dividido por la resistencia. Por lo tanto, existe una relación lineal entre el voltaje y la corriente para una resistencia. La colocación de una resistencia en serie con el LED sirve para aplanar la curva de voltaje-corriente por encima de modo que los pequeños cambios en el voltaje de suministro no hagan que la corriente se dispare radicalmente. La corriente seguirá aumentando, pero no radicalmente.

El valor de la resistencia es simple de calcular: reste el voltaje directo del LED de su voltaje de suministro, y este es el voltaje que debe haber en la resistencia. Luego, use la ley de Ohm para encontrar la resistencia necesaria para obtener la corriente deseada en el LED.

La gran desventaja aquí es que una resistencia reduce el voltaje al convertir la energía eléctrica en calor. Podemos calcular la potencia en la resistencia con cualquiera de estos:

$P = IE$
$P = I^2 R$
$P = E^2/R$

Cualquier poder en la resistencia es poder que no se usa para hacer luz. Entonces, ¿por qué no hacemos que el voltaje de suministro sea muy cercano al voltaje del LED, de modo que no necesitemos una resistencia muy grande, reduciendo así nuestras pérdidas de energía? Porque si la resistencia es demasiado pequeña, no regulará bien la corriente y nuestro circuito estará sujeto a grandes variaciones en la corriente con la temperatura, la variación de fabricación y el voltaje de suministro, como si no tuviéramos ninguna resistencia. Como regla general, al menos el 25% del voltaje debe caer sobre la resistencia. Por lo tanto, nunca se puede lograr una eficiencia superior al 75% con una resistencia en serie.

Quizás se pregunte si se pueden poner varios LED en paralelo, compartiendo una sola resistencia limitadora de corriente. Puede, pero el resultado no será estable, un LED puede acaparar toda la corriente y dañarse. Vea ¿Por qué exactamente no se puede usar una sola resistencia para muchos LED paralelos? .

Fuente de corriente lineal

Si el objetivo es entregar una corriente constante a los LED, ¿por qué no hacer un circuito que regule activamente la corriente a los LED? Esto se llama fuente actual , y aquí hay un ejemplo de uno que puede construir con partes ordinarias:

Así es como funciona: Q2 obtiene su corriente base a través de R1. Cuando se enciende Q2, fluye una gran corriente a través de D1, Q2 y R2. A medida que esta corriente fluye a través de R2, el voltaje a través de R2 debe aumentar (ley de Ohm). Si el voltaje a través de R2 aumenta a 0,6 V, entonces Q1 comenzará a encenderse, robando corriente base de Q2, limitando la corriente en D1, Q2 y R2.

Entonces, R2 controla la corriente. Este circuito funciona limitando el voltaje a través de R2 a no más de 0,6 V. Entonces, para calcular el valor necesario para R2, podemos usar la ley de Ohm para encontrar la resistencia que nos da la corriente deseada a 0.6V.

Pero, ¿qué hemos ganado? Ahora, cualquier exceso de voltaje simplemente se cae en Q2 y R2, en lugar de una resistencia en serie. No mucho más eficiente, y mucho más complejo. ¿Por qué nos molestaríamos?

Recuerde que con una resistencia en serie, necesitábamos al menos el 25% del voltaje total en la resistencia para obtener una regulación de corriente adecuada. Aun así, la corriente todavía varía un poco con el voltaje de suministro. Con este circuito, la corriente apenas varía con el voltaje de suministro en todas las condiciones. Podemos poner muchos LED en serie con D1, de modo que su caída de voltaje total sea, digamos, 20V. Luego, solo necesitamos otros 0,6 V para R2, y un poco más para que Q2 tenga espacio para trabajar. Nuestro voltaje de suministro podría ser de 21,5 V, y estamos desperdiciando solo 1,5 V en cosas que no son LED. Esto significa que nuestra eficiencia puede acercarse$20V / 21.5V = 93 \%$. Eso es mucho mejor que el 75% que podemos reunir con una resistencia en serie.

Fuentes de corriente de modo conmutado

Para la solución definitiva, existe una manera de (al menos en teoría) impulsar los LED con una eficiencia del 100 %. Se llama fuente de alimentación de modo conmutado y utiliza un inductor para convertir cualquier voltaje exactamente en el voltaje necesario para impulsar los LED. No es un circuito simple, y no podemos hacerlo completamente 100% eficiente en la práctica ya que ningún componente real es ideal. Sin embargo, correctamente diseñado, esto puede ser más eficiente que la fuente de corriente lineal anterior y mantener la corriente deseada en un rango más amplio de voltajes de entrada.

Aquí hay un ejemplo simple que se puede construir con partes ordinarias:

No diré que este diseño sea muy eficiente, pero sirve para demostrar el principio de funcionamiento. Así es como funciona:

U1, R1 y C1 generan una onda cuadrada. El ajuste de R1 controla el ciclo de trabajo y la frecuencia y, en consecuencia, el brillo del LED.

Cuando la salida (pin 3) es baja, Q1 se enciende. La corriente fluye a través del inductor, L1. Esta corriente crece a medida que la energía se almacena en el inductor.

Entonces, la salida sube. Q1 se apaga. Pero un inductor actúa como un volante para la corriente. La corriente que fluía en L1 debe continuar fluyendo, y la única forma de hacerlo es a través de D1. La energía almacenada en L1 se transfiere a D1.

La salida vuelve a ser baja y, por lo tanto, el circuito alterna entre almacenar energía en L1 y descargarla en D1. Entonces, en realidad, el LED parpadea rápidamente, pero alrededor de 25 kHz, no es visible.

Lo bueno de esto es que no importa cuál sea nuestro voltaje de suministro o cuál sea el voltaje directo de D1. De hecho, podemos poner muchos LED en serie con D1 y aún se encenderán, incluso si el voltaje directo total de los LED excede el voltaje de suministro.

Con algunos circuitos adicionales, podemos hacer un circuito de retroalimentación que monitoree la corriente en D1 y ajuste efectivamente R1 para nosotros, de modo que el LED mantenga el mismo brillo en una amplia gama de voltajes de suministro. Práctico, si desea que el LED se mantenga brillante a medida que la batería se agota. Reemplace U1 con un microcontrolador y haga algunos ajustes aquí y allá para hacerlo más eficiente, y realmente tendrá algo.

Hay otra forma, mucho menos común. Bueno para un LED, muy simple, puede arrojarle cualquier cosa, desde aproximadamente 4v a 20v, y felizmente le da al LED una corriente bastante constante.

El azul es el voltaje de entrada, 20v a 4v. El verde es la corriente al LED, alrededor de 12 mA. El rojo es la potencia disipada por el JFET, ficha técnica aquí .

Aquí hay una colección de opciones de controladores LED con las que puede jugar.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

I understand that I can not connect an LED directly to a battery because it will draw too much current

Eso no es del todo cierto, ya que depende de muchos factores.

El problema con los leds es que:

1. una vez que comienzan a conducir, un pequeño aumento en el voltaje creará un tremendo aumento en la corriente. con la combinación correcta, eso puede significar daños.

2. A medida que los LED se calientan, su caída de tensión directa disminuye, lo que hace que aumente la corriente a través de los LED. eso a su vez hace que la disipación de energía en los LED aumente y los LED se calienten, lo que conduce a un círculo vicioso.

Entonces, una forma de evitar eso es introducir retroalimentación negativa para que cuando la corriente en los LED aumente, el voltaje en los LED disminuya. Muchas maneras de hacer eso. resistencias, sensores, controles activos, etc.