Diodos y LEDs

Para nuestro primer proyecto con Arduino queremos simplemente encender y apagar un LED, pero antes de ponernos a trabajar con un LED tenemos que saber qué es exactamente y cómo utilizarlo en un circuito.

Un LED es un diodo emisor de luz (Light-Emitting Diode, en inglés), así que en realidad la primera pregunta es: ¿qué es un diodo?.

Diodos

De manera muy resumida, un diodo es un componente electrónico pasivo (no necesita alimentación) que sirve para que la corriente circule en un sentido concreto y en el contrario la bloquee. Por eso su símbolo es el siguiente:

Símbolo de un diodo
Símbolo de un diodo

Como podéis ver el símbolo es bastante descriptivo: la flecha indica el sentido en el que tiene que circular la corriente y en el sentido contrario tenemos una barrera simbolizada con una línea o barra vertical. Por tanto, la corriente sólo puede circular en el siguiente sentido:

Circulación de corriente en un diodo

A la pata (+) del diodo se le conoce como ánodo y a la pata (-) se le conoce como cátodo (esto ya es para nota). Físicamente un diodo tiene esta pinta:

diodo

Para identificarlo rápidamente: el lado por donde está marcado es por donde se bloquea la entrada de corriente (la barra vertical del símbolo), y por tanto, la patilla (-).

Polarización directa

Vamos a suponer que tenemos una pila y conectamos el diodo de la siguiente manera:

Circuito polarización directa de un diodo
Circuito polarización directa de un diodo

La corriente fluye del polo positivo al polo negativo de la pila. Si seguimos el diagrama del circuito vemos claramente que el diodo está alineado con el sentido de la corriente, por lo que ésta fluirá. A esto se le llama polarización directa de un diodo.

Ahora bien, no podemos esperar que un componente haga “algo” y que no gaste energía. Para poner el diodo en funcionamiento y que haya corriente hemos de aplicar una diferencia de tensión mínima al diodo, que se conoce como tensión umbral, aunque también la podemos llamar tensión de trabajo. Esta tensión “se gasta” en el diodo para que funcione y deje pasar la corriente, y el resto de tensión “se gastará” en el resto del circuito.

Se puede ver desde un punto de vista en el cual, para hacer fluir la corriente en el sentido correcto, el diodo se queda un “peaje” para su funcionamiento. Si la pila fuera de un voltaje menor a la tensión de umbral, no habría corriente, y si la pila es de un voltaje mayor a la tensión sí la habrá.

Dependiendo de cuál es material con el que se ha fabricado el diodo la tensión umbral suele ser 0,7 voltios para los diodos de silicio o 0,2 voltios para los diodos de germanio, y es más o menos constante. Como vemos, el voltaje de umbral es muy pequeño así que cualquier fuente de alimentación, a poco que tenga, superará la tensión de umbral y fluirá la corriente.

Ya sabemos entonces que el diodo “consume” unos voltios fijos. Si la pila tiene más voltios, entonces ¿dónde se consume el resto del voltaje?

Efectivamente, en el circuito anterior estaríamos sometiendo al diodo a un voltaje muy superior a la tensión umbral que podría llegar a fundirlo. ¿Qué podemos hacer para que este voltaje se gaste en algo y no funda el diodo?. Pues añadir una resistencia que consuma esta energía.El circuito quedaría así:

Circuito de polarización directa de un diodo
Circuito de polarización directa de un diodo

El diodo se queda para su funcionamiento un voltaje (la tensión umbral) y el resto se “consumirá” en la resistencia, lo que viene siendo la siguiente ecuación:

V= Vu+I*R

Siendo:

  • V= tensión o voltaje de la pila
  • Vu= tensión umbral del diodo, es decir, el voltaje “que se queda” el diodo.
  • R= valor de la resistencia
  • I = corriente que circula por el circuito.

 Polarización inversa

¿Qué pasaría en sentido contrario?. Tendríamos el siguiente circuito:

Circuito polarización inversa de un diodo
Circuito polarización inversa de un diodo

Si seguimos el sentido que debe llevar la corriente nos encontramos con que el diodo nos hace de barrera y por tanto no circularía corriente (I=0) porque está “bloqueada” por el diodo. Esto es la polarización inversa de un diodo.

Ahora, al igual que en el circuito de polarización directa, añadamos una resistencia a nuestro circuito:

Circuito polarización inversa diodo
Circuito polarización inversa diodo

En este caso, ¿qué voltaje hay en la resistencia y qué voltaje hay en el diodo?. Como hemos dicho, la corriente está bloqueada por el diodo, así que simple y llanamente I=0.

Como consecuencia de que no hay corriente, el voltaje que hay en la resistencia será cero:

VR=I*R=0*R=0

Así que no queda otra que toda el voltaje esté “consumido” en el diodo, que será igual al de la pila o fuente de alimentación.

Como el diodo no es perfecto, no podemos someterlo a una tensión de polarización inversa demasiado grande ya que habrá un momento en que no pueda aguantar más y se rompa. A la tensión máxima que puede soportar en polarización inversa se le conoce como tensión de ruptura y lo que viene a continuación es el efecto avalancha, que por su nombre podéis intuir que, bueno, no es. Lo vamos a dejar en este punto porque como vamos a ser buenos y no vamos a llegar a estos excesos, no hace falta que nos preocupemos por ello.

Si queréis saber un poco más de los diodos y conocer algunos detalles que no he contado podéis consultar wikipedia (aquí) o este otro link, que  es un blog de una estudiante donde viene muy bien explicado cómo funciona un diodo con una explicación práctica.

LEDs

Ahora ya sabemos qué es un diodo, y ahora podemos preguntarnos ¿qué es un LED?. Es un tipo especial de diodo que emite luz cuando pasa corriente por él (es decir, que está en polarización directa). Su símbolo es el siguiente:

Light-Emitting Diode - LED
Light-Emitting Diode – LED

Como podéis ver es el mismo símbolo pero con dos flechas indicando que “emite”.

¿Alguna otra diferencia? Sí: la tensión umbral es mayor (suele rondar los 2 voltios) y además esta tensión umbral depende del color del LED.

Por un lado, que la tensión umbral sea mayor es lógico: dado que va a emitir luz, es decir, energía, necesita una tensión mayor, es decir, más energía ¿Por qué para cada color es distinto? Porque al diodo “normal” se le añade un dopante para que emita luz de un color concreto, para los distintos colores los dopantes son distintos y esto hace que la tensión umbral sea distinta (esta es la explicación sencilla, la completa la tenéis por ejemplo en la wikipedia).

La verdad es que si ponemos un diodo normal, ¿cómo vamos a saber que está fluyendo la corriente? Mucho más sencillo con un LED y así cuando hayamos conectado la pila correctamente el LED se encenderá.

Físicamente un LED tiene esta pinta:

LED patillas
LED patillas (imagen sacada de esta web)

Formas de identificar las patillas del LED es que la patilla más larga es la patilla más (+). Fácil, ¿no?. Si ya has conectado el LED y no tienes manera de mirar qué patilla es la larga, lo más fácil es mirar (o tocar) para buscar una especie de corte en el contorno del LED:

LED corte
LED corte (imagen sacada de esta web)

El lado cortado es el lado (-), que es por donde “sale” la corriente.

Circuito de prueba

Basta ya de explicaciones: ánodos, cátodos, tensión umbral… claro, claro, lo que tú digas, pero vamos a probar cómo funciona un LED y ver cómo se enciende.

Para nuestro proyecto habíamos dicho que queremos un circuito para encender un LED. Con todo lo que sabemos ahora, lo que queremos hacer un circuito en el que polaricemos directamente un LED, lo que vendría a ser el siguiente diagrama:

Circuito de polarización directa de un LED
Circuito de polarización directa de un LED

Colocamos el LED y la resistencia en la placa de pruebas (también llamada protoboard) y tendremos lo siguiente:

Circuito de prueba de LED - Detalle
Circuito de prueba de LED – Detalle

En la imagen podéis ver:

  • Un cable rojo o naranja que conectaré al polo positivo de la pila, y que por tanto representa el (+) de la fuente de alimentación.
  • A continuación, la patilla (+) del LED está insertada en la misma fila que el cable rojo. En la placa de pruebas toda la fila está conectada, por lo que aunque el cable rojo no toca la patilla, es como si estuvieran conectadas.
  • Tras el LED, tenemos la resistencia, para que “gaste” parte del voltaje sobrante y nos aseguremos de que el LED no se quema.
  • Por último, un cable negro que conectaré al polo negativo de la pila y que por tanto representa el (-) de la fuente de alimentación.

Vamos a conectarle una pila de 9 voltios. Primero tocamos con el cable negro el polo negativo (!siempre conectad primero el polo negativo!):

Circuito de prueba de LED - Fuente desconectada
Circuito de prueba de LED – Fuente desconectada

Y luego tocamos con el cable rojo el polo positivo y… ¡Magia! ¡El LED se enciende!:

Circuito de prueba de LED - Fuente conectada
Circuito de prueba de LED – Fuente conectada

Podríamos añadir más LEDs al circuito. ¿Cuántos LEDs podéis encender con una pila?

Resumen

Ahora ya sabemos lo que es un diodo y un LED, y cómo utilizarlos en un circuito. De manera muy resumida:

  • Diodo: un componente que:
    • Deja pasar la corriente en un único sentido (polarización directa). Para funcionar necesita un voltaje mínimo (tensión de umbral), que se gasta en su funcionamiento y el resto del voltaje se distruibirá en el resto del circuito.
    • La corriente es bloqueada en el sentido inverso (polarización indirecta) y por tanto no habrá corriente siempre que no nos pasemos poniéndole voltaje al diodo (tensión de ruptura).
  • LED: lo mismo, pero además cuando pasa la corriente (polarización directa)… ¡emite luz!.

El resto de explicación os puede servir para comprender que, por mucho que podamos simplificar un componente electrónico, estos tienen muchos detalles que hay que conocer. No se trata de enchufar y probar: hay que saber qué necesitamos enchufar, por qué y para qué.

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