¿El uso de una resistencia en serie con un LED para controlar su tensión aumentará el gasto total de energía?

Question

Esto puede parecer una pregunta estúpida, pero quiero una confirmación. He visto un vídeo en Youtube sobre el uso de LEDs. Esos LEDs requerían un voltaje de alrededor de 2 voltios a 20 mA.

Para alimentar un LED con una fuente de alimentación de 5 voltios, el autor utilizó una resistencia en serie. Calculó que necesitaba unos 150 ohmios (utilizando U=RI, 5-2=3 voltios, 3V/20mA=150ohmios).

Lo que me parece inquietante es que la resistencia, para controlar la tensión debe estar consumiendo energía también. P=UI, por lo que 3x20mA=60mW, además del LED 2x20mA=40mW. En otras palabras, añadiendo +150% de consumo de energía a la necesidad real de encender el LED.

¿Me estoy perdiendo algo o es típico gastar energía extra sólo para poder usar componentes electrónicos que requieren un voltaje menor? Y segunda pregunta, ¿hay alguna forma de evitar hacerlo para este tipo de circuito (fuente de 5V, LED de 2V)?

-Observaciones-

1. Utilizo el término de voltaje en lugar de corriente porque así es como lo presenta Ben Eater en su vídeo
2. Me interesa sobre todo la cuestión general de la utilización de componentes adicionales para reducir el consumo localmente y al mismo tiempo introducir un desperdicio al tomar el circuito como un todo. Esto no es sólo acerca de los LEDs, que sirven aquí como un ejemplo por lo que sugieren que esto es un duplicado de "¿Cómo puedo conducir eficientemente un LED?" está perdiendo el punto principal (aunque estoy de acuerdo la segunda parte de mi pregunta está relacionada).

Answer 1

Tienes la idea correcta. En parte.

Un LED utilizado con una resistencia en serie sí desperdicia la energía disipada en la resistencia. Dependiendo del voltaje de la fuente de alimentación, puede fácilmente desperdiciar más energía en la resistencia que la que utiliza para el LED.

Hasta ahora, tiene razón.

Lo que quiero corregir es la idea de que la resistencia está ahí para bajar la tensión.

La resistencia está ahí para limitar la corriente.

Los LEDs son dispositivos accionados por corriente. La tensión directa varía con la corriente y la temperatura.

Para obtener un brillo estable de un LED, hay que regular la corriente.

Habrás observado que el cálculo de la resistencia en serie utiliza la corriente deseada del LED. Se toma la diferencia entre la tensión de alimentación y la tensión directa (aproximada) del LED, y se divide por la corriente para encontrar el valor de la resistencia en serie.

Si tratas de regular un LED sólo regulando el voltaje, entonces destruirás tu LED muy rápidamente. Justo por debajo de la tensión de avance, el LED no se enciende en absoluto. Justo por encima de la tensión directa, el LED se convierte en lo más parecido a un cortocircuito. Hay un pequeño rango intermedio en el que se ilumina y pasa sólo un poco de corriente.

Ese pequeño rango es imposible de alcanzar sólo con un regulador de voltaje - es se mueve con la temperatura y la corriente - la corriente hace que el LED se caliente, y el calor hace que el LED conduzca más. Se variaría el voltaje hacia arriba y hacia abajo salvajemente con algún tipo de circuito de retroalimentación que midiera la corriente.

O, simplemente, regular la corriente para empezar. No proporcione más corriente de la necesaria para encender su LED con el brillo deseado, y deje que el voltaje haga lo que le plazca - el voltaje no es de interés.

Answer 2

Sí, esa resistencia desperdicia energía.

Si el autor está usando un LED para una luz indicadora, entonces está desperdiciando mucha más energía por su elección de LED. Un LED que necesita 20mA para mostrarse en una habitación muy iluminada es típico de la tecnología de los años 70. Si se compran LEDs de mayor luminosidad, se gastarán los ojos a 20mA, y se encontrarán con que la cosa se reduce a 1mA más o menos. Un LED de este tipo, con una resistencia adecuada, consumiría 3,3mW a 3,3V, mientras que un LED de 20mA y 1,5V solo (sin tener en cuenta la resistencia) consumiría 30mW.

La forma definitiva de reducir el consumo de energía del circuito sería utilizar los LEDs más eficientes que pudieras encontrar, y alimentarlos con un convertidor de conmutación. Un convertidor de conmutación decente tendrá entre un 80% y un 95% de eficiencia, por lo que usarás entre un 25 y un 5% más de energía que sólo el LED. Pero tendrías que usar uno por LED (o cadena de LED), y es difícil justificar un convertidor de conmutación súper eficiente para cada luz indicadora.

Answer 3

No, no te estás perdiendo nada. La energía consumida por la resistencia se desperdicia pero, si estuvieras contemplando un circuito que utilizara decenas o cientos de LEDs, podrías considerar un regulador buck para bajar la tensión de alimentación del circuito de LEDs a quizás 3 voltios y hacer un ahorro de energía neto significativo por unidad de LED.

Seguirás necesitando una resistencia de 50 ohmios, pero sólo caerá alrededor de 1 voltio y disipará sólo 20 mW.

La buena noticia es que muchos LED modernos sólo necesitan un par de mA para obtener una luminosidad suficiente para las aplicaciones "estándar".

Answer 4

Un punto que me gustaría mencionar es el de los circuitos que están destinados a accionar los LEDs. Los circuitos de corriente constante pueden ser útiles para ahorrar energía cuando se necesita accionar varios LEDs.

En general, se desea alimentar los LEDs con una tensión cercana a la caída de tensión de avance. La tensión sólo es necesaria para polarizar el LED. El brillo debe ser controlado por la corriente que lo atraviesa. Un BJT y un opamp pueden actuar como un simple circuito de corriente constante. El tema es crítico cuando se manejan LEDs en serie o LEDs de alta potencia.

Dependiendo del número de LEDs y del coste o del criterio de potencia se debe decidir. Déjalo como está con la combinación de resistencias. Si el ahorro de energía es una necesidad, repensar toda la estrategia de los niveles de tensión de alimentación y las opciones de LED. Otras respuestas ya han arrojado luz sobre las opciones de bajo consumo

Answer 5

Esto es lo que te estás perdiendo. Tu fuente de alimentación tiene un potencial determinado: 5 V. Eso no va a desaparecer. Cuando pones 5 V a través de un componente que no puede manejarlo, tú debe haz algo con ese potencial extra o desequilibrarás la relación tensión/corriente en el circuito y el componente se dañará (en este caso el LED).

El LED no es en sí mismo lo suficientemente fuerte como para resistir el potencial aplicado a través de él - es específicamente por eso que la hoja de datos le dice que sólo puede soportar un potencial a través de él de 2 VDC. Eso es lo primero. Lo segundo es la cantidad de corriente que se le aplica - en este caso, la hoja de datos aparentemente dice 20 mA. Entienda que sólo porque una hoja de datos proporciona un máximo valor de corriente de 20 mA, no significa que realmente deba operar el dispositivo a ese nivel (o debería hacerlo). Normalmente no habrá una diferencia apreciable entre 8-10 mA y 20 mA, dependiendo del color.

La resistencia que utilizas está haciendo un par de cosas - está tomando la holgura para el voltaje que el LED no puede manejar, y está limitando la corriente a través del LED a lo que usted designa que quiere correr a través de él.

El calor que disipa la resistencia es no exceso o sobrante; en realidad es sólo el calor que se genera por la cantidad de corriente a la que estás limitando el LED. Este es un punto importante. La resistencia no puede disipar la energía que no fluye a través de ella. Y ciertamente es no que lleva toda la corriente de su fuente de alimentación.

Entonces, la ley de Ohm dice:

R = E / I
R = (5 V - 2 V) / 0.008 A
R = 3 V / 0.008 A
R = 375 ohms

En este caso, elegiremos 360 ohmios (es lo más cercano disponible).

I = E / R
I = (5 V - 2 V) / 360 Ω
I = 3 V / 360 Ω
I = 0.0083 A (or 8.3 mA).

Ahora que sabes cuánta corriente fluye, y qué resistencia usar, puedes calcular cuán gorda es la resistencia que necesitas, basándote en lo que está disipando:

La ley de Watt es útil aquí:

P = I * E
P = 0.0083 A * 3 V
P = 0.0249 watts
P = 24.9 mW

Ahora que sabes cuánta energía se disipa, puedes dimensionar la resistencia. Una resistencia de 8 vatios (1/8 de vatio) disipará 125mW. Por seguridad, se desea una resistencia que pueda soportar dos veces cuáles son sus necesidades de energía. Por tanto, 2 * 24,9 mW = 49,8 mW. Esa pequeña cantidad es muy inferior a 125 mW, por lo que puedes utilizar una resistencia de 8 vatios.

Espero que eso ayude.