POLARIZACIÓN DE DIODOS
PRIMERO, UN POCO DE TEORÍA
Aunque pueda resultar un poco duro, recomiendo leer esta sección si se pretende conectar unos diodos con ciertas garantías de éxito. De lo contrario no conseguiremos la luz esperada o se fundirán prematuramente.
Los diodos LED (o Diodos ElectroLuminiscentes) se basan en una característica intrínseca de ciertos materiales que hace que emitan luz bajo el efecto de una excitación eléctrica.
Al margen del estudio de este fenómeno, en este caso, lo que realmente nos interesa es el estudio del componente desde el punto de vista eléctrico, es decir, su comportamiento como diodo.
En la figura se muestra el símbolo de un diodo. Posee dos terminales: el marcado con la letra A se denomina "Ánodo", y el marcado con la letra K, se denomina "Cátodo".
Un diodo es un componente semiconductor, que se caracteriza por permitir un fácil paso de corriente en un sentido y difícil en el contrario. Concretamente, el diodo conduce corriente fácilmente desde el ánodo hacia el cátodo, pero no al revés. (existen otros tipos de diodos, denominados zener, que permiten el paso de corrientes eléctricas en ambos sentidos en determinadas condiciones).
Para el caso de los diodos led, podremos identificar ambos terminales fácilmente, ya que el terminal del cátodo siempre es mas corto:
Si los terminales ya los hemos cortado, también podremos identificar el ánodo y el cátodo observándo el interior del componente: la pieza metálica más grande se corresponde con el cátodo:
Desde el punto de vista de funcionamiento, la característica que mas nos interesa conocer de los diodos es lo que se denomina "tensión en directa", es decir, el valor de voltaje que existirá entre sus patillas cuando por él circule una corriente eléctrica. En otras palabras, es la tensión que necesita para funcionar.
Por ejemplo, si ponemos una tensión de 1 voltio entre los terminales de un LED blanco, no conducirá (y no se iluminará). Necesita una tensión mínima de unos 3 voltios, que vendrá determinada por esta curva:
En esta curva se puede observar que hasta los 3 voltios aproximadamente,la corriente eléctrica que circula por el diodo (Forward Current) es nula, es decir, no conduce, y por tanto, no da luz. A 3.4 voltios conduce unos 10 miliamperios, a 3.5 conduce unos 35 mA y a 3.8 voltios, se dispara. Podemos decir, entonces, que la tensión en directa (o tensión en conducción) de este diodo es de unos 3.4 voltios. Debe considerarse que esta curva varía ligeramente para cada modelo de diodo del mismo color y varía enormemente entre diodos de diferente color.
Por lo tanto, para conectar estos LED a nuestro coche, tendremos que conseguir que les llegue una tensión de unos 3.4 voltios. Si no llegamos, no se iluminarán, y si nos pasamos, se quemarán.
Vemos en la gráfica que poniendo mas o menos tensión en sus patillas podemos variar cuánta corriente pasa por el diodo. Esto es importante, porque a mayor corriente, mayor cantidad de luz nos va a proporcionar.
Pero claro, todo tiene un límite: el componente soporta hasta un valor máximo de corriente. Éste valor nos lo debe proporcionar el fabricante (normalmente lo denominan "if max"). Normalmente será del orden de 25 mA. Si la superamos, el componente se sobrecalentará y se acortará su vida útil. Y si la superamos mucho, tendrá una muerte súbita.
Por tanto, nuestro reto será proporcionar una tensión de unos 3.4 voltios, evitando que la corriente supere unos 20 mA, utilizando los 12 voltios de nuestra batería.
Un inciso para los que no sepan mucho de electricidad:
Para casos simples como este, puede resultar útil utilizar la analogía del agua con la electricidad, a fin de captar los conceptos básicos.
Supongamos un enorme depósito lleno de agua, en cuya parte inferior hay un tubo de salida, de un determinado diámetro.
Lógicamente, cuanto mas lleno esté el depósito, con más velocidad saldrá el agua por el tubo, debido a que el peso del agua ejerce mayor presión.
Bien, la batería de nuestro coche es el depósito, y la altura a la que está lleno (y por tanto, la presión que ejerce), es la tensión o voltaje.
Veamos ahora qué sucede en el tubo de salida: si ponemos un tubo estrecho, saldrán muchos menos litros de agua por segundo que si ponemos un tubo ancho.
Análogamente, la cantidad de agua que sale es equivalente a la corriente eléctrica, y la estrechez del tubo es equivalente a la resistencia.
Bien, con lo que sabemos, podemos empezar a polarizar un diodo LED con la batería de nuestro coche.
Como hemos dicho, tenemos varios datos:
- Tensión de la batería: 12 voltios
- Tensión en directa del diodo: 3.4 voltios
- Corriente deseada en directa: 20 mA (por ejemplo, siempre por debajo de If max)
Como he avanzado antes, necesitamos reducir la tensión que llega al diodo hasta dejarla en esos 3.4 voltios, aproximadamente. Para ello pondremos una resistencia en serie, cuya misión será precisamente la de absorber la tensión que nos sobra:
La resistencia R, deberá "quedarse" con los voltios que nos sobran:
Tensión en la resistencia (la llamaremos Vr):
Vr = 12 - 3.4 Voltios = 8.6 Voltios
(esta será la tensión que habrá entre los terminales de la resistencia)
La corriente "i" que deseamos es de 20 mA. Lógicamente esta corriente será la misma para la resistencia y para el diodo. Si aplicamos la formula de la ley de Ohm:
La tensión, corriente y resistencia en cualquier circuito eléctrico se pueden calcular mediante la Ley de Ohm, que afirma que : tensión = corriente x resistencia. Por lo tanto, conocidos dos valores cualesquiera se puede determinar el tercero:
V = i * R (si conocemos I y R)
R = V / I (si conocemos V e I)
I = V/R (si conocemos V y R)
Aplicamos la ley de Ohm para la resistencia (conocemos V e I):
R = 8.6 Voltios / 0.020 Amperios
(0.020 Amperios son 20 miliAmperios)
Por tanto, R = 430 ohmios
VAMOS A COMPLICARLO UN POCO (la realidad siempre es dura):
Hemos hecho una hipótesis de partida que no es cierta: la tensión de la batería no es siempre 12 voltios. En condiciones normales, esta tensión subirá hasta los 14.5 o incluso los 15 voltios con el motor en marcha. Por tanto, al subir la tensión, la corriente en nuestro diodo también lo hará, y tal vez supere el valor de corriente máxima soportada.
Tenemos 2 soluciones:
A/ fácil: hacer el cálculo con 15 voltios, en vez de hacerlo con 12 y, de este modo, cuando el motor no esté en marcha, que los diodos iluminen un poco menos..
B/ difícil: hacer que la tensión no varíe.
Veamos qué sucede con la opción A:
Calculemos de nuevo cuánta tensión debe quedarse en la resistencia:
Vr = 15 - 3.4 = 11.6 Voltios
La corriente deseada sigue siendo de 20 mA, por tanto, aplicando la ley de ohm
11.6 V = 0.020 * R
de donde R = 11.6V / 0.020 = 580 ohmios.
Ya podemos garantizar que nuestro diodo no se quemará cuando pongamos el motor en marcha.
Hasta ahí todo bien, pero ¿qué sucede cuando paramos el motor y la tensión baja a 12 voltios?
En el diodo se seguirán quedando en torno a 3.4 voltios, por lo que en la resistencia se quedará el resto:
Vr = 12 - 3.4 = 8.6 Voltios
¿cuanta corriente circulará entonces por la resistencia?
volvamos a aplicar la ley de ohm
i = V/ R
i = 8.6V / 580 ohm
Tenemos que i = 14.8 mA
Lamentablemente, con 14.8 mA nuestro diodo LED no va a ofrecer el nivel de intensidad luminosa que deseamos: va a lucir menos y nuestros demon eyes van a perder un poco de gracia.
Si vemos la curva del fabricante relativa a la intensidad luminosa en función de la corriente:
Podemos ver que de 15 a 20 mA existe una diferencia notable de luminosidad. Por lo tanto no nos podemos permitir ese lujo, y tendremos que ir a la opción B:
La opción B se basa en fijar la tensión con la que excitamos al conjunto resistencia + diodo, de modo que podamos calcular una determinada resistencia para el valor de corriente deseado y que éste no varíe, aunque lo haga la batería.
El secreto es, simplemente, utilizar un circuito integrado que se va a encargar de fijar la tensión a un valor de 8 voltios, independientemente de lo que haya a su entrada (dentro de un orden, claro).
Un circuito integrado es un componente electrónico en cuyo interior hay gran cantidad de componentes básicos (resistencias, condensadores, diodos, transistores, etc), que conforman un determinado circuito que satisface una necesidad habitual para el diseñador (en este caso, la de fijar una determinada tensión). El fabricante nos da información de cómo funciona de patas para afuera, permitiendo abstraernos de lo que sucede en el interior.
Para hacernos a la idea, el regulador de tensión tiene dentro unos 18 transistores, 20 resistencias, 3 diodos y un par de condensadores.
Este circuito integrado, que se denomina regulador de tensión, tiene un funcionamiento muy simple: tiene una patilla de entrada (que conectaremos a nuestro positivo de 12 voltios, una patilla GND, que conectaremos a masa, y una patilla de salida, por donde nos proporcionará los 8 voltios deseados.
El aspecto de este componente es el siguiente:
Según se ve el componente en la fotografía, la pata inferior es la de entrada (+12 voltios), la central es la de masa (0 voltios), y la superior es la salida (8 voltios). Conviene tener cuidado, porque la parte metálica del componente (donde tiene el taladro para sujetarlo), está en contacto con la pata central, es decir, es masa también.
Bien, sigamos adelante. Ya tenemos una fuente de tensión estabilizada a 8 voltios. Veamos ahora cómo conectamos los diodos.
CONEXIONADO DE LOS DIODOS
Otra cuestión que debemos decidir es cómo conectar los diodos a la alimentación.
Se nos plantean tres posibilidades:
OPCIÓN 1: CONEXIÓN CON RESISTENCIA COMÚN
En esta configuración, se emplea una única resistencia y los diodos se conectan en paralelo:
El valor de la resistencia lo calcularemos así:
Tenemos una tensión de 8 voltios
Supongamos una tensión en directa de los diodos de 3.4 voltios
Queremos una corriente de 20 mA por cada diodo.
Vemos en el esquema, que por cada rama de diodo pasarán 20 mA, por tanto, por la resistencia debe pasar la suma de todas esas corrientes, es decir: 20 mA * 4 = 80 mA.
La tensión que debe absorber la resistencia será : 8 voltios - 3.4 voltios = 4.6 voltios
Aplicando la ley de Ohm: V = I * R
Obtenemos que R = V / I = 4.6 / 0.08 = 57.5 Ohmios
Un asunto que no hemos visto hasta ahora: la resistencia, al absorber esa energía va a generar calor, por lo que debe dimensionarse adecuadamente para que no se queme.
Calculemos ahora cuánta potencia debe disipar esa resistencia:
W = V * I
Por tanto W = 4.6V * 80 mA = 0.368 Watios.
Las resistencias que se encuentran en las tiendas son, habitualmente, de 0.25 W, 0.5 W, 1 W, etc. Por tanto, en este caso debemos seleccionar una de 0.5 Watios.
El problema de esta solución es que si se funde un diodo, los 80 mA que pasan por la resistencia deberán distribuirse por los 3 diodos que quedan, por lo que su corriente subirá hasta 27 mA. Con un valor tan alto, pronto caerá otro, con lo que la corriente deberá dividirse entre dos (40 mA). Poco después se fundirán los dos restantes.
OPCIÓN 2: CONEXIÓN EN SERIE
En esta forma de conexión, ponemos los diodos en serie, dos a dos. A priori, es la solución mas elegante, ya que hace un uso mas racional de la energía. Así se consume la mitad de corriente que la versión anterior, y por tanto se gasta la mitad de energía para hacer lo mismo. Además, las resistencias van a producir menos calor.
El valor de R lo calcularemos así:
- Tenemos una tensión de 8 voltios
- Supongamos una tensión en directa de los diodos de 3.4 voltios
- Queremos una corriente de 20 mA por cada diodo.
En esta ocasión, en la resistencia tendrá que absorberse menos tensión, ya que en el circuito tenemos dos diodos en serie (cada uno se quedará con sus 3.4 voltios). Concretamente serán 8 voltios, menos 2 veces la tensión de directa del diodo:
Vr = 8 - 2 * 3.4 = 1.2 voltios
La corriente por la resistencia seguirá siendo de 20 mA, por tanto, aplicando la ley de Ohm:
R = V/I = 1.2 / 0.020 = 60 Ohmios
Pero, como no podía ser menos, esta solución también tiene un problema: por cada rama circulan 20 mA, por lo que en total, el circuito consumirá en torno a 40 mA (es decir, unos 0.5 Watios).
La unidad de mando de luces del E46 verifica continuamente el funcionamiento de la bombilla de posición, de modo que si detecta que se ha fundido, ilumina la bombilla del intermitente mas próximo. (ojo: si nuestro coche no presenta esta limitación, no hay problema, es la mejor opción).
En los E46, he podido comprobar que la corriente mínima que ha de suministrar la unidad de mando de luces para que esto no suceda es de unos 150 mA, por lo que esta solución provocará que se ilumine el intermitente. Por tanto, para este modelo de coche, recomiendo la opción 3:
OPCIÓN 3: CONEXIÓN EN PARALELO, CON RESISTENCIA INDEPENDIENTE
Esta es la opción que finalmente he llevado a cabo, ya que resuelve los problemas que plantean las opciones anteriores. Es, básicamente, como la opción 1, pero en este caso cada diodo lleva su propia resistencia:
Calculamos el valor de R, como en los casos anteriores:
Vr = 8 voltios - 3.4 voltios = 4.6 Voltios
Ir = 20 mA
Por tanto, R=V/I = 4.6 / 0.020 = 230 Ohmios.
Como no existe un valor normalizado de 230 ohmios, he optado por el de 270 ohmios (no todos los valores de resistencia están disponibles, y he preferido disminuir el nivel de corriente porque se me han fundido algunos diodos).
Con esta resistencia de 270 Ohmios, la corriente que circula por cada diodo es:
I = Vr / R = 4.6 / 270 = 17 mA
Podemos verificar cuánta potencia van a disipar cada una de las resistencias ( no vayan a quemarse ).
La potencia disipada es el producto de su tensión por su corriente:
W = Vr * Ir = 4.6 voltios * 0.017 amperios = 0.078 watios.
Las resistencias habituales tienen capacidad de disipar un máximo de 0.250 watios, por lo que no habrá problema.
OJO: He dibujado una resistencia Rc en color rojo. Su montaje puede no ser necesario. La colocaremos si el montaje normal (en negro) provoca que la luz del intermitente se mantenga encendida (y la alarma de luz fundida en el salpicadero).
En condiciones normales, los E46 requieren un consumo en la luz de posición de unos 150 milamperios para que no aparezca la alarma de bombilla fundida.
Con nuestro circuito, el consumo en cada faro va a ser de 4 diodos * 17 miliamperios = 68 miliamperios. Por lo tanto, debemos generar un consumo extra de 82 miliamperios colocando la resistencia Rc.
El valor lo calcularemos utilizando la ley de ohm:
Rc = V / i = 8Voltios / 0.082 A = 97.5 ohmios.
tomaremos el valor de 100 ohmios por ser el valor normalizado mas cercano.
La potencia disipada por la resistencia Rc será:
W = V * i = 8 * 0.08 = 0.64 Watios
Por tanto la resistencia ha de ser de 100 ohmios y 1 Watio.
