¿Cambia el brillo de los LED con el voltaje?

Question

Cuando era joven y estaba aprendiendo sobre electricidad, una fabulosa herramienta para entender el voltaje/corriente/resistencia era una bombilla incandescente (en mi caso era una pequeña bombilla de 3V). Cuando duplicabas el voltaje poniendo dos baterías en serie, brillaba 4 veces más, pero se calentaba más y era más propensa a quemarse. Cuando pones dos bombillas en serie, brillaban 1/4 de lo que lo hacían. Cuando las pones en paralelo, brillaban normalmente, pero agotaban la batería el doble de rápido. Etc.

Sin embargo, hoy en día las bombillas incandescentes se están apagando, y los LEDs las están reemplazando por una buena razón (como no quemarse cada pocos meses o algo así). Pero los LEDs son diferentes y siguen reglas diferentes, lo cual no me entiendo muy bien.

Me preguntaba ¿pueden usarse los LEDs de la misma manera? Sé que para que un LED sea utilizable de forma similar a una bombilla clásica, hay que ponerlo en serie con una resistencia, de lo contrario se consume demasiada corriente y se quema. Creo que incluso puedes comprar LEDs con resistencias incorporadas. Pero, ¿funcionarían de la misma manera? ¿Los cambios de voltaje irían acompañados de los correspondientes cambios de brillo?

Answer 1

Los LED son una bestia muy diferente a las bombillas incandescentes. Los LEDs pertenecen a una clase de dispositivos conocidos como dispositivos no lineales . Estos no siguen la Ley de Ohm en el sentido clásico (sin embargo, la Ley de Ohm se sigue utilizando junto con ellos).

Un LED es (obviamente) una forma de diodo. Tiene un tensión de avance que es la tensión a la que el diodo comienza a conducir. A medida que el voltaje aumenta, también lo hace la capacidad de conducción del diodo, pero lo hace en un no lineal de la moda.

              

En un LED, lo que determina su luminosidad es la cantidad de corriente que circula por él. Aumentar el voltaje aumenta la corriente, sí, pero la región en la que eso ocurre sin que la corriente aumente demasiado es muy pequeña. En la curva roja de arriba puede ser esa pequeña porción alrededor de 1,5V, y para cuando llegas a 2V la corriente está fuera de la escala y el LED se quema.

Poner los LEDs en serie hace que se sumen las tensiones de avance, por lo que hay que proporcionar una tensión más alta para que se inicie la conducción, pero la región controlable sigue siendo igual de pequeña.

Así que controlamos la corriente en lugar de la tensión, y tomamos la tensión de avance como un valor fijo. Incluyendo una resistencia en el circuito para rellenar el hueco entre la tensión de alimentación y la de avance, limitando la corriente en el proceso, o utilizando un corriente constante podemos fijar la corriente que queremos que pase por el LED y así fijar la luminosidad. Aumentando la corriente, pero sin aumentar el voltaje (o sólo una cantidad insignificante, y puramente incidental), aumentamos la luminosidad.

La fórmula para calcular la resistencia a utilizar para una corriente determinada es

$$ R = \frac{V_S - V_F}{I_F} $$

Dónde \$V_S\$ es la tensión de alimentación, \$V_F\$ es la tensión directa del LED, y \$I_F\$ es la corriente de avance del LED deseada.

Answer 2

No, un LED por sí mismo (sin resistencias ni otros componentes electrónicos) se comporta de forma muy diferente a una bombilla.

Echa un vistazo a esta hoja de datos de un LED aleatorio.

Desplázate hasta la página con muchos gráficos. El tercer gráfico muestra la intensidad relativa (luz) frente a la corriente a través del LED. Notarás que esta cura es algo lineal, lo que significa que el doble de corriente te daría aproximadamente el doble de luz.

Lo que hemos aprendido: el brillo de un LED es en cierto modo proporcional a la corriente que circula por él.

Pero, ¿qué corriente se obtiene para un determinado voltaje?

Observe el gráfico 2, Corriente de avance frente a la tensión de avance, observe cómo la corriente aumenta rápidamente para una tensión superior a 3 voltios. Con sólo 0,5 V más se obtiene una corriente 4 veces mayor. Esta curva también cambia entre los LED y la temperatura.

Por eso es mejor alimentar los LED con una corriente en lugar de con una tensión. Si se alimenta un LED con voltaje, la corriente no es muy predecible, por lo que tampoco lo es el brillo. Además, la potencia suministrada al LED variará, ya que la potencia es el voltaje x la corriente.

Es mejor mantener un LED a una corriente constante, por eso se necesitan resistencias en serie, que limitan la corriente al valor previsto. No exactamente, pero lo suficientemente cerca para la mayoría de los propósitos.

Con la resistencia en serie en su lugar, un LED (+ resistencia) se comporta más como una bombilla en el sentido de que el cambio de brillo es más proporcional a la tensión que se aplica.

Answer 3

Las bombillas LED e incandescentes son casi frente a en características.

• Los LEDs caen en R con el aumento de la tensión.

• La resistencia de la BULB aumenta 10 veces cuando se enciende. Esto se debe a una gran PTC térmica exponencial (+) de un filamento de tungsteno. Mientras tanto, los LEDs son justo lo contrario, con un pequeño valor lineal NTC (-).

  • Los LEDs no pueden manejar tensiones negativas. Todos tienen una tensión máxima de -5V.
  • Las bombillas van fácilmente en ambos sentidos, AC-DC

• Los LEDs utilizan una unión de alambre de Au ultrasónica "micrométrica", porque la soldadura la mataría.

• BOMBILLAS ... funcionan a 2500'C

  • Los LEDs necesitan protección ESD.
  • Las BULBAS absorben la ESD sin ningún problema.

• Los LEDs vienen en todos los colores del arco iris y más allá.

• Las bombillas son todas iguales, en tonos de blanco

  • Los LEDs pueden detectar la luz con una pequeña corriente de salida como los fotodiodos.
  • Las bombillas no pueden detectar la luz.

• Los LEDs son de una sola cara incluso con un sustrato transparente.

• Las bombillas son omnidireccionales.

Así que cuando se suma todo, hay que entender las diferencias para que funcionen en el mismo entorno de potencia. O bien confiar en un diseñado solución para que sean fáciles de usar.

Answer 4

Si compraras LEDs con resistencias incorporadas, funcionarían (casi) exactamente de esa manera.

La potencia luminosa de los LEDs es casi proporcional a la corriente en un amplio rango.

Para tensiones relativamente altas \$(Vb >> Vf)\$ la corriente se calcula de la siguiente manera:

\$V_b\$ : tensión de funcionamiento

\$V_f\$ Tensión directa del LED

\$R_i\$ : resistencia en serie incorporada

\$I=(V_b-V_f)/R_i\$ (un solo LED). Que puede ser reducido (con una tolerancia del 10%) aproximadamente aproximado a \$I=(V_b/R_i)\$

para dos de ellos dice: \$I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)\$ que puede ser reducido a aproximadamente aproximado:

\$I=(V_b/(2*R_i))\$

Así, al poner en serie 2 LEDs con resistencias incorporadas, la corriente baja a la mitad de la inicial.

Answer 5

La luminosidad de un LED depende principalmente de la corriente que lo atraviesa.

Una bombilla incandescente convencional es efectivamente una resistencia, sigue la ley de ohmios: V = I * R. Si duplicas el voltaje, la corriente se duplicará y la potencia utilizada se multiplicará por 4 (no es del todo cierto, hay algunos efectos relacionados con la temperatura, pero se aproxima lo suficiente por ahora).

Por otro lado, un LED es un diodo que, como la mayoría de los diodos, tiene una tensión de polarización directa relativamente fija. Por debajo de esa tensión no fluye la corriente, por encima de esa tensión el flujo de corriente es ilimitado, pero la tensión se ve reducida por la tensión de polarización. (Esto es una gran simplificación, pero es suficiente para la mayoría de los cálculos aproximados)

El valor de esta tensión dependerá de los materiales utilizados y, por tanto, del color. Normalmente, entre 1,8 y 2 V para el rojo, el amarillo o el verde, y entre 3 V para el azul, el blanco o el "verde verdadero". Esta caída de tensión aumentará con la corriente, pero sólo en 0,1-0,2V, por lo que normalmente se puede ignorar este efecto.

Como has indicado en tu pregunta, los LEDs suelen estar conectados con una resistencia en serie para limitar la corriente. ¿Por qué?

Piensa en el LED como una caída de tensión fija, consumirá una cantidad fija de tensión sin importar la corriente. Por lo tanto, si conectas un LED de 2V directamente a una fuente de 3V, quedará 1V que caerá sobre el resto del circuito. El resto del circuito en este caso serán las resistencias internas en la fuente de alimentación y los cables. Estas resistencias suelen ser bastante bajas (tan bajas que normalmente las ignoras) y por ello fluirá una gran corriente.

Suponiendo que las resistencias son del orden de 0,1 omhs, esto daría una corriente de I = V/R = (3-2) / 0,1 = 10 amperios.

La potencia disipada en el LED sería P = I * V = 10 * 2 = 20 vatios.

Esto calentaría muy rápidamente el LED hasta el punto de destruirlo. El mundo real es un poco más complejo, ya que el LED no es la caída de tensión fija de resistencia perfecta que se supone, pero el resultado final es el mismo de cualquier manera.

Si añadimos una resistencia en serie de 100 ohmios además de las resistencias internas, la corriente se reduce a 10mA y el LED brilla muy bien.

Cambiar el valor de la resistencia cambiará el brillo, la mayoría de los pequeños LEDs están limitados a unos 20mA como máximo y no son visibles por debajo de 1mA. Por lo general, si se superan los 10mA apenas se notan (esto se debe más al funcionamiento de los ojos que al de los LEDs). También puedes cambiar el brillo encendiéndolos y apagándolos muy rápidamente, esto es más sencillo de hacer para los sistemas digitales y es generalmente más eficiente para un brillo percibido dado (de nuevo más debido a los ojos que a los LEDs), esto te permite cambiar el brillo mientras sólo tienes una única resistencia fija en el hardware. Si se planea utilizar una resistencia variable para ajustar el brillo, es una buena práctica incluir también un pequeño valor fijo para que con la resistencia variable a 0 la corriente se limite a 20mA.

¿Y si añadimos dos LEDs en serie?

Cada LED necesita 2V para encenderse. Dos LEDs significan 4V. Con una fuente de 3V no tenemos suficiente voltaje para polarizar los diodos, por lo que bloquearán todo el flujo de corriente. Los LEDs estarán apagados. Si aumentas el voltaje y ajustas correctamente la resistencia limitadora de corriente, ambos se encenderán. Como el brillo depende de la corriente que pasa por el LED y ambos tendrán la misma corriente, tendrán el mismo brillo (para el mismo tipo de LED).

¿Y si añadimos dos LEDs en paralelo?

Si añadimos dos en paralelo, cada uno con su propia resistencia, son efectivamente circuitos separados. Suponiendo que la fuente de alimentación sea suficiente cada uno actuará como si fuera el único.

Si comparten la resistencia, las cosas se ponen más interesantes. En teoría, esto funcionaría bien, tendrías que reducir a la mitad el valor de la resistencia para dar la misma corriente por LED, pero aparte de eso, es de esperar que funcione. Desgraciadamente, no hay dos LEDs idénticos, todos tendrán tensiones de polarización ligeramente diferentes, lo que significa que fluirá más corriente a través de uno que de otro (sería toda la corriente a través de uno si no fuera por el pequeño aumento de tensión a medida que aumenta la corriente que normalmente ignoramos).

Esto significa que dos LEDs en paralelo con una sola resistencia casi nunca tendrán la misma luminosidad.

Por lo general, cualquier cosa que necesite accionar un grupo de LEDs (por ejemplo, una luz de fondo) utilizará una larga cadena en serie de LEDs y aumentará el voltaje tanto como sea necesario (dentro de lo razonable) para que todos tengan el mismo brillo.