I.
OBJETIVOS
-
En este laboratorio Ud. Aprenderá a realizar el dimensionamiento de
arreglo de LED’s en serie, paralelo y mixto, para señalización e
iluminación.
II.
-
Conocer el funcionamiento y conexionado de los LED’s RGB (tricolor).
-
Diseñar un panel luminoso de bajo costo con LED’s RGB.
MATERIALES Y EQUIPO
-
3 resistencias de 200 Ω * 1/4 W
-
3 resistencias de 330 Ω * 1/4 W
-
3 Resistencias 1K ohmio (Marrón, Negro, Rojo -Dorado) * ¼ W
-
2 LED’s RGB de 3mm de cátodo común
-
12 LED de 3 mm color Rojo (4), verde (4) y amarillo(4)
-
2 LED de alto brillo o de Potencia 1W
-
1 Fuente entre 5 y 15 Vdc
-
1 protoboard y cables de conexión
-
1 multitester para medir corriente
III. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA:
Los LEDs son dispositivos de estado sólido, también llamadas lámparas sin
filamento ni gas inerte que lo rodee, ni cápsula de vidrio que lo recubra. El
LED (acrónimo del inglés de Light Emitting Diode) o Diodo emisor de luz
es un semiconductor unido a dos terminales cátodo y ánodo (K=negativo y
A=positivo) recubierto por una resina epoxica transparente o traslucida.
Cuando una corriente circula por la juntura semiconductora P-N que forma
el diodo, se produce un efecto llamado electroluminiscencia. El color de la
luz emitida (λ=longitud de onda), dependerá del material semiconductor
empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta,
pasando por el espectro visible, hasta el infrarrojo.
Polaridad:
Por tratarse de dispositivos electrónicos semiconductores, los LEDs
funcionan con corriente continua (CC), tienen polaridad y es imprescindible
para su funcionamiento que sean conectados en el sentido correcto.
Para identificar la polaridad de cada terminal, se observará la longitud de los
mismos: El terminal más largo es el ánodo que se conectará al positivo (+)
del circuito y el terminal más corto es el cátodo por lo que se conectará al
polo negativo o masa del circuito.
También es posible identificar el cátodo observando el encapsulado. El
mismo es indicado con una zona plana o muesca en la circunferencia de la
base plástica. En la siguiente figura se observa un LED rojo en el que se
indica la polaridad de sus conexiones y el símbolo del componente.
Características eléctricas:
Son dos especificaciones eléctricas fundamentales para el correcto
conexionado de los LEDs:
Forward Voltaje (VF): Es la tensión en polaridad directa de trabajo del LED
y variará en función del color, de la intensidad luminosa y del fabricante. Se
mide en Volts.
Forward Current (IF): Es la intensidad de la corriente que circula por el
LED. Se mide en mili Ampere (1 A = 1000 mA).
Estos dos parámetros serán los que deberemos asegurar al calcular los valores
de los componentes adicionales del circuito de alimentación. En el caso de
no disponer de ellas, se podrán utilizar para los cálculos los valores
“genéricos” de la siguiente tabla según el color y el brillo del LED
Conexión:
Los LEDs suelen trabajar con tensiones de entre 1,5 y 4 Volts y corrientes
del orden de los 20 mA por lo que en la gran mayoría de los casos deberemos
intercalar una resistencia limitadora (Rs) en serie entre los LEDs y la fuente
de alimentación. Para el cálculo de esta resistencia (o resistor) se utiliza la
siguiente formula en el caso de que se desee conectar un solo LED:
R=
VS −V F
IF
(1)
Dónde:
R es el valor de la resistencia en Ω (Ohms).
VS (Source Voltage) es la tensión de la fuente de
alimentación en Volts
VF (Fordward Voltage) es la tensión de polaridad
directa del LED en Volts. IF (Fordward Current) es
la corriente de trabajo del LED en Ampere.
Una vez calculada la resistencia, se seleccionará el componente de valor
normalizado más próximo al calculado y que posea una capacidad de
disipación de potencia acorde al circuito. Generalmente la potencia del
resistor se lo aproxima a 1/4 W.
2
PR =VF * I F = I F
2
V
*R = F
R
[W ]
(2)
Para el cálculo donde se desee conectar varios LEDs en serie, el valor del
resistor R será:
𝑅=
𝑉𝑆 −𝑛×𝑉𝐹
(3)
𝐼𝐹
Donde: n es la cantidad de LEDs conectados en serie.
LED RGB (Read-Green-Blue):
Un LED RGB es la unión de tres LEDs de los colores básicos (Rojo, Verde
y Azul), en un encapsulado común, compartiendo la misma tierra (GND =
Ground ó cátodo para el negativo). En función de la tensión que pongamos
en cada pin podemos conseguir la mezcla de color que deseemos con relativa
sencillez.
Cada diodo del conjunto emitirá luz cuando reciba una corriente de
intensidad comprendida entre 10 y 40mA, alcanzando su grado máximo de
luminiscencia cuanto más próxima a 10 sea. Si variamos la tensión aplicada,
obtendremos distintos grados de intensidad dentro de cada color, y si
combinamos cada color obtendremos una amplia variedad de colores
Algunas características del LED RGB de 5mm de cristal de 4 pines standart
son:
Color
Tensión de
alimentación
Consumo
ROJO
2.1 V
20 mA
VERDE
3.3 V
20 mA
AZUL
3.3 V
20 mA
RGB Ánodo
Común
EJEMPLOS PRÁCTICOS
1.- Se desea conectar cuatro LEDs rojos de alto brillo a una
batería de 12 V. Solución: Para este caso tendremos los
siguientes valores:
VF = 2 V
IF = 20 mA = 0,02 A
De la ecuación (3):
𝑅=
𝑉𝑆 − 𝑛 × 𝑉𝐹 12𝑉 − 4 × 2𝑉
=
= 200𝛺
𝐼𝐹
0.02𝐴
Por lo que será necesaria una resistencia de 200 Ω. Este valor se encuentra
normalizado para resistencias de tolerancia de 5%.
En la imagen se observa el cableado de todos los elementos en una placa de
prototipos, de la conexión serie de los LEDs rojos:
2.- Se desea conectar dos LEDs verdes de alto brillo a una fuente de 12V
Solución: Para este caso tendremos los siguientes valores:
n=2
VS= 12 V
VF= 3 V
IF = 20 mA = 0,02 A
Con estos datos, de la ecuación (3) tenemos:
𝑅=
𝑉𝑆 − 𝑛 × 𝑉𝐹 12𝑉 − 2 × 3𝑉
=
= 300𝛺
𝐼𝐹
0.02𝐴
Cuyo resultado es un valor de 300 Ω. En este caso optamos por una
resistencia de 330 Ω x ¼ W. Quedando el circuito montado como se exhibe
en la siguiente imagen.
En la imagen anterior, se muestra el ejemplo de una barra de LEDs azules
montados sobre un perfil de PVC utilizada para la iluminación de un
acuario:
IV. PROCEDIMIENTO:
1.
Implementar el siguiente conexionado de la siguiente forma. Utilicé una
fuente de + 15 Vdc:
𝑉𝑆 = 15𝑉
2.
Calcule el valor de R según la relación (1):
𝑅=
𝑉𝑆 − 𝑉𝐹 15𝑉 − 1.8𝑉
=
= 880𝛺
𝐼𝐹
0.015𝐴
La resistencia calculada solo es un valor teórico, debemos tener en
cuenta que el mercado no se encontrara una resistencia de ese valor y lo
recomendable será adquirir una resistencia de 1K 𝛺
3.
Implementar el siguiente conexionado para tres LED’s Amarillo Estandar
en serie de la siguiente forma.
𝑉𝑆 = 15𝑉
4.
El cálculo de la resistencia R a utilizar, se calcula según la relación (3):
𝑅=
𝑉𝑆 − 𝑛 × 𝑉𝐹 15 − 3 × 1.8
=
= 640𝛺
𝐼𝐹
0.015
Igual que en el ejercicio anterior, debemos tener en cuenta la tabla de
resistencias comerciales (Anexo 1), en este caso lo recomendable en uso
practico seria optar por la resistencia de 680 𝛺.
Luego medir la corriente de consumo (I), tenga en cuenta que debe
poner el Multitester en serie al circuito, en la escala de mA.
I = 14mA
5.
Repita los pasos 3 y 4 para el caso de LEDs de color Verde y Rojo. Complete
la tabla siguiente:
Corriente de
Número
Color de
de LEDs
LEDs
consumo
(mA)
Potencia de
consumo (W)
(*Simulador)
3
Verde
14mA
0.21W
3
Rojo
12.8mA
0.192W
𝑅=
𝑉𝑆 − 𝑛 × 𝑉𝐹 15 − 3 × 1.8
=
= 640𝛺
𝐼𝐹
0.015
𝑃 = 𝑉 × 𝐼 = 15𝑉 × 14𝑚𝐴 = 0.21𝑊
El R calculado es uno teorico y mientras que en uso practico lo
recomendable es usar uno de 680 𝛺.
𝑅=
𝑉𝑆 − 𝑛 × 𝑉𝐹 15 − 3 × 1.5
=
= 700𝛺
𝐼𝐹
0.015
𝑃 = 𝑉 × 𝐼 = 15𝑉 × 12.8𝑚𝐴 = 0.192𝑊
Para este circuito la resistencia practica tendría que ser la de 820 𝛺.
6.
Implemente el sistema de LEDs del circuito de la figura 1. Se muestra un
arreglo de 4 LED’s en serie, en paralelo con 2 ramas de LED serie. El arreglo
es una combinación serie-paralelo.
Nota: Considere LED Estandar.
Figura
1.
7.
Calcule el valor de R1, del circuito de la figura 1. Luego con el multitester
medir la corriente total (IT) y potencia de consumo.
R1 =
𝑅=
𝑉𝑆 − 𝑛 × 𝑉𝐹 12 − 4 × 1.8
=
= 106.66 ≅ 107𝛺
𝐼𝐹
3 × 0.015
IT =
37mA
Pconsumo =
𝑃 = 𝑉 × 𝐼 = 12𝑉 × 37.1𝑚𝐴 = 0.445𝑊
Como ya hemos visto en los demás ejemplos y ejercicios lo recomendable
en el ámbito practico es usa la tabla de resistencias comerciales (Anexo 1), el
cual para este caso nos convendría usar la resistencia de 120 𝛺.
CONEXIONADO DE LED’s RGB:
8.
Con el multitester, en la escala de Diodos, identificar correctamente los
pines de color Rojo, Verde y Azul. Si el LED RGB es tipo cátodo común, la
punta COM, Común (color negro) colocar el el extremo derecho como se ve
en la figura. La otra punta (+) color roja poner debe colocar en los pines
restantes. Se debe encender el color respectivo, como se muestra en la
gráfica siguiente:
9.
Implemente el circuito siguiente de LED´s RGB brillante. Polarice el LED
RGB con + 5 V. Los valores de los resistores pueden ser valores entre 200
Ω a 1 K Ω. Debe calcular el valor de r para cada color de LED.
+5V
El circuito implementado en TinkerCAD en el protoboard es el siguiente.
Utilice interruptores deslizantes para hacer la combinación de colores.
1: Salida→Interruptor
posición 1
2:
Común
3: Salida
→Interruptor
posición 3
𝑅1 =
𝑉𝑆 − 𝑉𝐹 5 − 1.5
=
= 233.33 ≅ 233𝛺
𝐼𝐹
0.015
𝑅2 =
𝑉𝑆 − 𝑉𝐹 5 − 1.8
=
= 213.33 ≅ 213𝛺
𝐼𝐹
0.015
𝑅3 =
𝑉𝑆 − 𝑉𝐹 5 − 1.8
=
= 213.33 ≅ 213𝛺
𝐼𝐹
0.015
10. Para tener diferentes tonalidades de colores, pruebe variando distintos
valores de resistencias. También puede ir variando el interruptor deslizable.
¿Cómo obtener el color blanco? ¿Cómo obtener el color violeta? ¿Cómo
obtener el color amarillo?
 Para obtener el color blanco debemos de encender los 3 leds.
 Si enciendes el led azul y rojo, entonces tendremos el color violeta.
 Ahora para obtener el color amarillo, tenemos que tener prendido tanto el
led rojo como el verde.
V. CUESTIONARIO
1.
Que utilidades le puede dar al circuito de la figura 1, paso 6, en la Ing.
Mecánica, fundamente su respuesta.
Debemos recordar que en la mecánica se usa un sin finde sensores los
cuales pueden tener incorporados leds, de la misma forma en la construcción
de estructuras la tecnología ha sido capaz de usa los leds como iluminación en
el cual un circuito mixto tiene sus ventajas ya que el voltaje seria constante,
solo necesitaríamos ser capaces de generar una corriente alta.
2.
Qué ventajas y desventajas ofrece el circuito de la figura 1, paso 6.
Explique
Al ser un circuito mixto, las ventajas y desventajas que tienen son una
combinación de las ventajas y desventajas de uno en serio y otro en paralelo.
Ventajas de una conexión mixta

la configuración también requiere solo una fuente de alimentación, ya
que la tensión de salida es relativamente baja en comparación con la
configuración en paralelo;

como regla general, es más resistente a las averías;

Mayor eficiencia: generalmente no es necesario utilizar resistencias que
distribuyan electricidad.
Desventajas de una conexión mixta

en el caso de desproporciones actuales, agregar resistencias que facilitan
la distribución de corriente no es tan fácil como en una configuración
paralela;

la distribución desigual de las corrientes causa una distribución desigual
de la luz y el calor;

todos los LEDs en esta fila detienen la iluminación si un LED falla
debido a un cortocircuito, las filas restantes brillarán normalmente, pero
el brillo de la lámpara es menor;
3.
Investigue brevemente sobre la nueva tecnología OLED y que utilidades
le puede dar a su carrera de Ing. Mecánica.
La nueva tecnología OLED, viene de las siglas en inglés Organic Light
Emitting Diode, que es una tecnología muy usada en los monitores, esta
tecnología sustituyó, hace ya bastante tiempo, a la tecnología que empleaba
lámparas fluorescentes, pues esta ultima consume mucho más y posee una
inferior consistencia de la iluminación de la matriz, sin embargo los OLEDs
son una mejor opción en aplicaciones de pantallas grandes y planas en un
entorno de luz artificial, como pantallas de portátil o de televisión, pues, la
eficiencia energética y el voltaje de operación de los OLEDs están en el
rango de los mejores LEDs inorgánicos pero con la ventaja adicional de que
los procesos de fabricación son mucho más rentables
4.
Vea
el
siguiente
video
del
link:
https://www.youtube.com/watch?v=CtJqhg5Y6DA, y de sus comentarios al
respecto.
Muy interesante, la forma en la que lo explica, como la corriente saliente
de la serie de leds es usado de distintas maneras, como encender un motor, un
zumbador, un relé o otros leds en paralelo. Además, nos da una introducción
del uso de los transistores.
5.
Vea
el
siguiente
video
del
link
de
sus
comentarios:
https://www.youtube.com/watch?v=6Do4sJOPnVo&t=12s
Lo que nos indica este video es muy importante, por la manera que
debemos usar nuestros conocimientos para hacer un correcto diseño de
acuerdo a las características que nos indican, ya que, por algún error en
nuestro diseño, podría quemarse los leds, una vez tengamos los materiales
ya podemos pasar al circuito, para finalmente tener creado el producto final.
6.
Vea el siguiente video del Link y de sus comentarios al respecto:
https://www.youtube.com/watch?v=ln86dMx7Mgo
Nos muestra lo sencillo que es el funcionamiento de un semáforo, los
componentes que son usados en este caso de una sola vía con un 555 y el
circuito integrado cd4017.
7.
Vea el siguiente video del Link y de sus comentarios:
https://www.youtube.com/watch?v=eZxZfW1p8W
k
Finalmente, con este video comprendemos que somos capaces de una
nuestra creatividad para diseñar o construir cosas interesantes y todo lo que
se nos ocurra
VI. RECOMENDACIONES
Una recomendación, seria practicar como representar los circuitos en el
tinkercad, ya que fue una de las cosas que mas costo y que por un solo error
o una mala conexión, no funcionara como debe de ser.
Igualmente es de suma importancia, tener en cuenta que los valores que
encontramos con la formula no siempre estarán disponibles en el mercado y
el por ello que se debe tener siempre presente la tabla de valores comerciales
de las resistencias.
Otra recomendación va en cuanto el diseño, tener siempre presente las
ventajas y las desventajas de un circuito en serie, paralelo y mixto.
VII. CONCLUSIONES
Concluimos, que es de suma importancia calcular la resistencia
adecuado para nuestro circuito, ya que si ponemos las resistencias sin tomar
en cuenta la corriente máxima que soportan los leds en ese caso podría llegar
a quemarse. Igualmente recordar que, en un circuito en paralelo o mixto, la
forma de calcular la resistencia varia.
Concluimos que los diodos led se parecen bastante a los diados
comunes en cuanto a su uso, sin embargo, para poder identificar en cátodo
y en anoto varia en las patitas, las cuales se debe tener presente a la hora de
armar el circuito, de la misma forma debemos ser capaces de calcular la
cantidad de leds que podemos usar de acuerdo a nuestra fuente de
alimentación, de lo contrario tendríamos un voltaje negativo.
Finalmente concluimos que la funcionalidad que le podemos dar a los
leds en infinita y solo depende de nosotros como usarlas, teniendo en cuenta
que la ciencia está en constante evolución como vimos con los Oled.
VIII. ANEXOS
ANEXO 1:
VALORES COMERCIALES DE RESISTENCIAS DE 3 BANDAS.