Cómo dimensionar una resistencia limitadora de corriente LED

La única resistencia que no puedes permitirte saltarte

Todos los ingenieros lo han hecho al menos una vez: han conectado un LED directamente a un raíl de suministro y han observado cómo parpadea brillantemente (durante aproximadamente medio segundo) antes de apagarse para siempre. Los LED son dispositivos alimentados por corriente con una característica V-I exponencial, lo que significa que incluso una pequeña sobretensión impulsa una cantidad destructiva de corriente a través de la unión. Una resistencia limitadora de corriente en serie es la forma más simple, económica y confiable de establecer el punto de operación.

Esto suena trivial y las matemáticas son simples. Sin embargo, en la práctica, elegir el valor correcto implica tener en cuenta la serie de resistencias estándar, la desviación de corriente real y la disipación de potencia en la propia resistencia, especialmente cuando se colocan docenas de LED en una placa indicadora del panel o se alimentan LED de alto brillo de una fuente industrial de 24 V. He visto muchas placas volver de ensamblar con los 0603 carbonizados porque alguien copió un circuito de 5 V y lo convirtió en un diseño de 24 V sin volver a comprobar el presupuesto energético.

La ecuación fundamental

La resistencia reduce la diferencia entre la tensión de alimentación $V_S$ y la tensión directa del LED $V_F$, y establece la corriente $I_F$:

Eso es todo. Pero el matiz está en los detalles, y esos detalles importan más de lo que piensas:

$V_F$ varía según el color del LED y el fabricante. Un LED rojo suele bajar entre 1,8 y 2,0 V, mientras que un LED blanco o azul cae entre 3,0 y 3,4 V. Consulte siempre la hoja de datos, pero esos rangos cubren la gran mayoría de los LED indicadores SMD y con orificio pasante. Normalmente añado un margen de 0,2 V cuando aún no estoy seguro de cuál es la pieza exacta; es mejor subestimarla un poco y acabar con un LED más tenue que sobreestimarlo y estropearlo durante la primera prueba de encendido. El artículo $I_F$ depende de la aplicación. 20 mA es el valor clásico de «brillo estándar» para los LED con orificio pasante de 5 mm, pero los LED modernos de alta eficiencia son perfectamente visibles entre 1 y 5 mA. Esto es importante cuando funciona con batería o tiene 50 LED de estado que comparten el presupuesto total de E/S de un microcontrolador. He tenido diseños en los que, al pasar de 20 mA a 2 mA por LED, se ahorra suficiente corriente como para prolongar la duración de la batería en un 30%. Te sorprendería lo brillante que es un buen LED moderno con solo un par de miliamperios. La resistencia exacta casi nunca llega a un valor estándar. Tendrá que elegir el valor más cercano de la serie E24 (o E96 si utiliza resistencias del 1%), y eso cambia la corriente de funcionamiento real. La mayoría de los ingenieros se saltan este paso y se limitan a utilizar lo que diga la fórmula, y luego se preguntan por qué su LED es un poco más brillante o más tenue de lo esperado. La serie E24 tiene un espaciado de aproximadamente un 10% entre los valores, por lo que es casi seguro que te desconectarás un pequeño porcentaje.

Ejemplo resuelto: LED blanco en una fuente de 5 V

Supongamos que está conduciendo un LED indicador blanco de una fuente USB de 5 V a una velocidad estándar de 20 mA. La hoja de datos enumera el $V_F = 3.2\,\text{V}$ típico.

Paso 1 — Calcula la resistencia exacta: Paso 2: seleccione el valor E24 más cercano.

90 Ω no está en la serie E24. Los valores estándar más cercanos son 82 Ω y 91 Ω. . Casi siempre redondea hacia arriba para limitar la corriente, así que elija $R_{E24} = 91\,\Omega$. Al redondear hacia arriba, se protege el LED: obtendrás un poco menos de corriente, lo cual está bien. El redondeo a la baja significa que se está enviando más corriente a través de la unión y, si la tensión de alimentación es un poco alta o el $V_F$ del LED está en el extremo inferior de la banda de tolerancia, es posible que estés superando la potencia máxima absoluta.

Paso 3: calcule la corriente real con la resistencia E24:

Eso está dentro del 1% del objetivo, lo que es perfectamente aceptable. El LED no notará la diferencia.

Paso 4 — Compruebe la disipación de potencia en la resistencia:

Con la resistencia exacta:

Con el valor E24:

Una resistencia SMD 0603 estándar con una capacidad nominal de 100 mW maneja esto fácilmente. Aquí no hay problema. Tiene un margen de casi 3 veces mayor, lo que es suficiente incluso si la placa se calienta o si está funcionando a temperaturas ambiente elevadas.

Cuando la disipación de energía realmente importa

Ahora cambie el escenario: está alimentando el mismo LED blanco de una fuente industrial de 24 V a 20 mA. Aquí es donde las cosas se ponen interesantes.

E24 más cercano: $1\,\text{k}\Omega$ o $1.1\,\text{k}\Omega$. Escojamos el $1\,\text{k}\Omega$ (redondeando ligeramente a la baja; es aceptable si el máximo absoluto del LED es muy superior a 20 mA, lo que suele ocurrir con los LED indicadores estándar).

Ahora la potencia de la resistencia:

Eso es casi medio vatio, demasiado para un 0603 (100 mW) o incluso un 0805 (125 mW). Necesitarías al menos un paquete 2512 con una potencia nominal de 1 W, o una resistencia con orificio pasante. Y aquí está el truco: una resistencia estándar de orificio pasante de ¼ W tampoco es suficiente. Una resistencia de ½ W es la opción más segura, y querrás darle un poco de espacio en la placa porque se va a calentar.

Este es exactamente el tipo de detalle que es fácil pasar por alto cuando se copia un circuito LED «estándar» de un diseño de 5 V a un sistema de 24 V. He visto placas de producción en las que alguien colocaba 50 LED indicadores con resistencias de 0603 en un raíl de 24 V y cada uno de ellos se quemaba durante la primera prueba de funcionamiento prolongada. Las resistencias literalmente se volvieron negras.

La conclusión: la mayor parte de la diferencia de voltaje entre el suministro y el LED se quema en forma de calor en la resistencia. Con voltajes de alimentación más altos, se desperdicia una tonelada de energía y, en algún momento, tiene más sentido utilizar un controlador IC de corriente constante o un controlador LED de conmutación. Si utilizas docenas de LED de 24 V, un controlador LED adecuado te ahorrará espacio en la placa, reducirá el calor y, en general, probablemente te cueste menos que comprar 50 resistencias robustas y gestionar la temperatura.

Referencia rápida: combinaciones comunes

Observe la última fila: más de un vatio en la resistencia para un solo LED IR en un riel de 24 V. Se trata de una resistencia de 2 W como mínimo, y tendrás que pensar en la gestión térmica de tu PCB. Si tienes una placa densa, tanto calor en un área pequeña puede causar problemas. He tenido placas en las que la cámara térmica mostraba puntos calientes alrededor de las resistencias LED que estaban 20 °C por encima de la temperatura ambiente. No lo suficiente como para fallar inmediatamente, pero sí lo suficiente como para preocuparme por la fiabilidad a largo plazo.

Consejos prácticos

Redondea siempre la resistencia hacia arriba, a menos que hayas confirmado que el LED puede tolerar la corriente más alta con margen. Redondear un escalón E24 a la baja normalmente aumenta la corriente entre un 5 y un 10%, lo que no parece mucho hasta que te das cuenta de que esa es la diferencia entre funcionar a 20 mA (seguro) y 22 mA (que puede superar la potencia máxima absoluta en algunas partes). Utilice la hoja de datos LED $V_F$ con su corriente de funcionamiento, no con la potencia máxima. La tensión directa varía con la corriente, y el valor típico de 20 mA es el deseado. Si consulta una hoja de datos típica de un LED, verá la curva V-I: el $V_F$ puede cambiar entre 0,2 y 0,3 V entre 1 mA y 30 mA. El uso de un valor incorrecto desvirtúa todo el cálculo. Para diseños que funcionan con baterías, considera utilizar los LED indicadores a una velocidad de 1 a 2 mA. Los LED modernos de alta eficiencia son claramente visibles en estos niveles, lo que permite ahorrar una cantidad considerable de energía en modo de espera. Trabajé en un dispositivo portátil en el que teníamos ocho LED de estado y, al reducirlos de 10 mA a 2 mA cada uno, ahorrábamos 64 mA en total, lo que representa una gran parte del presupuesto total de energía cuando la capacidad de la batería es de solo 2000 mAh. Cuando el $V_S - V_F$ es pequeño (p. ej., una fuente de 3,3 V con un LED azul a 3,2 V), el valor de la resistencia se vuelve muy pequeño y la corriente se vuelve extremadamente sensible a la tolerancia del $V_F$. Un LED azul puede tener un valor del $V_F$ entre 3,0 V y 3,4 V, según el recipiente y la temperatura. Si lo diseñas con una potencia normal de 3,2 V y obtienes una pieza de 3,0 V, la corriente podría aumentar un 50% o más. En estos casos, una fuente de corriente constante es la mejor opción. Es más caro, claro, pero vale la pena cuando se necesita un brillo predecible en todos los lotes de producción.

Otra cosa a tener en cuenta: la tolerancia de la tensión de alimentación. Si está diseñando para 5 V pero su suministro real puede oscilar entre 4,75 V y 5,25 V, esa variación del 10% se propaga directamente a la corriente de su LED. Para aplicaciones críticas (como la comunicación óptica o la igualación precisa de colores), necesita un control más estricto del que puede proporcionar una simple resistencia.

Pruébalo

No hagas estos cálculos a mano cada vez: abre la calculadora de resistencias limitadoras de corriente LED y conecta la tensión de alimentación, el color del LED y la corriente deseada. La herramienta te proporciona al instante la resistencia exacta, el valor estándar E24 más cercano, la corriente de funcionamiento real y la disipación de potencia para ambos, para que puedas elegir la resistencia correcta y el paquete correcto en el primer intento. Mantengo esta calculadora marcada como favorita y la uso constantemente, incluso para diseños que he hecho cientos de veces antes. Es más rápida que hacer los cálculos yo mismo, y detecta los errores antes de que lleguen a la pizarra.