Trabajando en un proyecto reciente, me enfrenté a un problema con apenas algunos componentes a mano y el deseo de simplificar mi proyecto para que no fuera necesario montar componentes complejos.
El proyecto en el que estoy trabajando es bastante simple, una lámpara USB de 5 V para conectar a una unidad de alimentación USB de esas que todo el mundo lleva encima hoy en día, o alimentada por una fuente de energía USB como Artesyn DCH5. Sé que puedo hacer funcionar fácilmente una sola LED ya que la caída de tensión directa está dentro del rango de los 5 V, pero compliqué un poco las cosas para tener luz suficiente para leer un libro o buscar algo dentro de una carpa si me voy de campamento, así que configuré mi diseño para cuatro LED.
En general, cuando se agregan varios LED a un sistema es mejor que funcionen en serie porque así la corriente llega de manera constante a cada LED, para que pueda iluminar con mayor uniformidad e impedir que el LED consuma demasiada energía y se funda, pero esta configuración también produce una acumulación de la caída de tensión directa de los LED y rápidamente pasa a la fuente de 5 V que tengo disponible. Es posible usar LED de Vf más baja, una de 1,2 Vf funcionaría bien, pero encontrar una tensión directa tan baja en un LED de espectro visible, mucho menos en uno blanco, es muy difícil. Los LED con los que trabajo son de alrededor de 3,2 Vf lo que significa que tener cuatro de ellos activos no funcionará en serie.
Puede hacerse funcionar con una Vf más alta que la de su fuente admita si utiliza un indicador de elevador de tensión de LED como el LT3491 de Linear Tech. Hay varios que con una fuente 5 V emiten más de 20 V, pero preferiría no tener que agregar un IC a un proyecto tan simple como este. Los LED que estoy usando se parecen mucho a la familia de piezas CREE C513A pero tengo una variante de 3 mm de diámetro.
Paralelo versus serie
Como no quería usar un indicador de elevador de tensión, la única opción que me quedaba era accionar los LED en paralelo. Accionar los LED en paralelo permite mantener una tensión directa más baja, ya que las tensiones no se apilan en paralelo sino que se incrementa la corriente extraída de la fuente para mantener una potencia general parecida. Cuando se los LED se accionan en paralelo se pueden producir situaciones en que las resistencias internas de los LED no coincidan. Las diferencias entre las resistencias internas darán lugar a que un LED acumule la corriente de la fuente de energía, ya que esta buscará el camino que le ofrezca menos resistencia. Al acumular la energía el LED acortará su duración y puede fundirse muy rápidamente o de inmediato.
Una forma combatirlo es comprobar antes los LED y agruparlos según sus valores internos. Para agrupar las piezas, o agruparlas con las más parecidas a su clase, se debe usar una fuente de energía constante y un multímetro adecuado. Para los LED que tengo a mano, sabía que tenía planeado hacerlos funcionar a sus 20 mA nominales así que fijé mi fuente de corriente en ese valor e introduje un límite de sobretensión a 3,6 V ya que mis piezas no deberían sobrepasar ese valor. Conecte el multímetro a los mismos puntos positivo y negativo del led como suministro de energía, para medir la tensión real con bastante precisión y resolución. Una vez que encienda la tensión del suministro de energía de corriente constante, el LED debe iluminarse y el suministro de energía ajustará la tensión entre los LED como corresponda. El LED es un dispositivo de diodos, lo que significa que sus características se estabilizarán a medida que se calienta, así que esperé un poco hasta que la tensión de salida se estabilizara en un valor uniforme. En una hoja de papel pegué los componentes que había probado y escribí los valores obtenidos de las pruebas. Seleccioné los 4 LED con las tensiones de estabilidad más cercana a 20mA. Para simplificar todo este proceso, algunos proveedores, Cree por ejemplo, le ofrecerán agrupar las piezas por tensión directa y temperatura de color para que obtenga los resultados más uniformes.
Una prueba rápida.
Mis mediciones dieron como resultado algunos detalles interesantes. Usé un lote de LED del mismo fabricante y de la misma caja, es posible que provinieran de distintas tiradas de producción pero no era fácil saberlo con los elementos que tenía a mano. Después de medir los LED cuyas especificaciones exigían una caída de tensión directa de 3,2 V, obtuve un rango que iba de 2,991 V a 3,127 V a 20 mA, lo que significa que mis piezas presentaban una diferencia de voltios superior a diez y ninguna de ellas tenía la caída prevista de 3,2 V a 20 mA. Si aumentaba la corriente a 30 mA en efecto se producían caídas más cercanas a la especificación prevista, lo que significa que probablemente pueda accionarlas a un valor superior al planeado pero, por ahora, mi diseño no lo requiere. Con este rango de caídas de tensión vería resistencias internas de 156 ohms a 149 ohms. Es un rango bastante pequeño pero a medida que aumenta la corriente, las diferencias son más pronunciadas y podrían producir problemas en el sistema.
Documentación muy científica en acción.
Cuando use LED en sus proyectos y sistemas, asegúrese de caracterizarlos lo mejor posible, especialmente si los hace funcionar en paralelo sin ninguna clase de IC de indicador inteligente. Al agrupar las piezas, puede crear sistemas de mayor calidad, y más duraderos y estables.