Ya va llegando mi momento. Estoy haciendo ya montajes para montar mi propia pantalla de LEDs. Aunque no la tengo aun terminada y aun le queda tiempo, os voy a intentar ir mostrando los avances que vaya realizando. También intentaré comentaros los errores que cometa, y como intentaré resolverlos.
También voy a intentar escribir el post de forma que sea "para torpes", o para neófitos en el tema de los LEDs, para que cualquiera pueda seguirlo e incluso copiarlo si así lo considera. Ahora, tengo tendencia a escribir mucho, así que corréis el riesgo de aburriros mucho y dejar de leer. Por contra, también corréis el riesgo de que me canse yo y vaya directo al grano, aunque siempre podéis preguntar. Intentaré hacer el post a modo de reportaje, intentando editar el primer post para que no se distraiga mucho la cosa con las respuestas y haya que leer 23 páginas de respuestas para estar al día. Ya veremos si lo consigo.
¿Qué es un LED?
Un LED es un diodo emisor de luz (Light Emiting Diode), que no es más que un tipo particular de diodo, que produce luz cuando pasa corriente por él. Un diodo es una unión de dos semiconductores de distinto tipo. Tienen polaridad, por lo que tenemos los llamados ánodo y cátodo. Cuando a un diodo le aplicamos una diferencia de tensión, de tal forma que en el ánodo hay más tensión que en el cátodo, se dice que el diodo está polarizado directamente. Cuando esto pasa éste conduce la electricidad, aunque no siempre, para ello se debe superar una tensión mínima o tensión umbral. Si no se supera este valor el diodo no conduce. En el caso de los LEDs no iluminaría nada. Además se cumple que una vez superado dicho umbral, con pequeños incrementos en la diferencia de tensión, la corriente aumenta de forma considerable. Así, la corriente que pasa por un LED depende de la diferencia de tensión que haya entre su ánodo y su cátodo.
En los diodos, como en todos los elementos conductores, se produce el efecto Joule, que consiste en que parte de la corriente que circula por ellos se disipa en forma de calor, de tal forma que cuanta más corriente pasa por ellos, más calor se disipa. Lo que tenemos en los diodos, y en particular en los LEDs, es que la corriente que circula entre su ánodo y cátodo es mayor cuando más caliente está, por lo que, por ejemplo, un LED a 50º permite mayor paso de corriente que uno a 20º. También ocurre que cuanto más corriente pase por el diodo más se fuerza este y llega un límite en el que se rompe. De acuerdo con esto, para los distintos tipos de LEDs, se consideran unas tensiones ideales de funcionamiento, y asociadas a dichas tensiones tenemos unos valores de corriente, para los cuales se tiene la máxima luminosidad con el máximo tiempo de vida. Para los diodos blancos de 1W que tenemos esta tensión sería 3.4-3.6V y la corriente sería 350mA. Pero esto no es del todo cierto, ya que esta corriente depende también de la temperatura, como hemos dicho.
Así pues, tenemos que evitar que los LEDs se calienten demasiado, ya que esto aumentaría la corriente que pasa por ellos y a la larga se estropearían antes. Para ello, lo que se hace es acoplar los LEDs a disipadores, que suelen ser de aluminio o cobre, y que permiten que el calor emitido por el LED se reparta por toda la superficie. El calor se "expulsa" al aire por la superficie del disipador, por lo que cuanta más superficie tenga este mejor. Por ello los disipadores tienen aletas en forma de peine, y no son bloques de aluminio, pues así tendrían menos superficie. Además se acoplan usando pastas conductoras térmicas, para facilitar la transmisión del calor de una superficie a la otra.
Resistencias y drivers
De acuerdo con todo esto, para conseguir que un LED conduzca y emita luz, tenemos que aplicarle una diferencia de tensión positiva, mayor que cierto umbral, entre el ánodo y el cátodo. No necesitamos nada más que esto. Pero lo ideal sería que dicha diferencia de tensión fuera lo más próxima al valor ideal de cada tipo de LED (3.6V para los blancos). Pero realmente, para conseguir que el LED dure lo máximo posible, el objetivo es conseguir que la corriente que pase por él sea siempre lo más próxima al valor ideal, por debajo, ya que si se supera esta se estropea antes.
Así pues, si cogemos un LED blanco de 1W, en principio le deberíamos conectar su cátodo a 0V y aplicar 3.6V en el ánodo. Esto haría que se iluminara. Si lo dejamos así, seguirá iluminando pero poco a poco empezará a calentarse, lo cual implica que a la misma tensión conduce más corriente, y si sigue así perderá vida útil. Podríamos hacer que iluminara más, pero aplicándole más de 3.6V, lo cual aumentaría mucho la corriente y pasaría lo mismo, llegando incluso a quemarse.
Pero normalmente no tenemos una fuente de alimentación de 3.6V. En su lugar solemos tener fuentes de 5V. Esto implica que tenemos que bajar la tensión de 5 a 3.6V. Esto lo podemos hacer con una resistencia del valor adecuado. Si conectamos más LEDs en serie, la caída de tensión es la suma de la caída de tensión de cada LED. Si ponemos 3, por ejemplo, en lugar de 3.6V, para conseguir la mejor relación “luminosidad/tiempo de vida” sería 10.8V. Tampoco tenemos fuentes de 10.8V, pero tenemos de 12V. Si antes del primer LED ponemos una resistencia de unos 3.6ohm, conseguimos bajar la tensión más o menos donde queremos, y ya podemos funcionar.
Pero nos sigue ocurriendo que los LEDs se calientan y consumen más corriente, por lo que se estropean antes. Para ello, podemos colocar los LEDs en un disipador de aluminio, de forma que este absorba y transmita al aire el calor que le sobra a los LEDs, llegando a un equilibrio que permitirá que los LEDs no se calienten a más de cierta temperatura y no consuman más de cierta corriente, con lo que conseguiríamos mantener su vida útil.
Pero controlar esto es difícil si se usa una única resistencia, pues ya ajustamos mucho el valor de la caída de tensión y el diodo se va a calentar igual. O aumentamos el valor de la resistencia para que la caída de tensión sea menor, por ejemplo 10V, y se caliente menos y, unido al disipador, no se llegue nunca al límite de corriente peligroso, aunque en este caso iluminaría menos, o hacemos que en lugar de mantener fija la caída de tensión, mantenemos fija la corriente, de tal forma que, por mucho que se caliente el LED, no se va a superar dicha corriente límite, y no va a disminuir la vida útil. Para esto se utilizan los famosos drivers, que son realmente fuentes de corriente constante, en lugar de fuentes de tensión constante, que es a lo que estamos acostumbrados.
Según esto, la forma ideal de alimentar un LED es usar un driver (o fuente de corriente constante), pues mantiene siempre el mismo límite que garantiza que el LED ilumina al máximo posible sin poner en riesgo su vida. Pero esto no quiere decir que usar una resistencia va a ser malo para el LED, siempre que se llegue a un equilibrio. Podemos conseguir con un buen disipador que el LED no se caliente y aplicarle menos caída de tensión, con lo que aunque iluminará menos, si es suficiente, se mantendrá la vida útil.
El único problema de la resistencia es que, por el mismo efecto Joule, parte de la corriente que pasa por ella se disipa en forma de calor, por lo que el resultado es que el conjunto total consume más energía que si solo pusiéramos los LEDs. Digamos que el conjunto es menos eficiente. Los drivers, por el contrario, si están bien hechos suelen tener una eficiencia muy alta, de tal forma que consumen minimizar mucho la energía consumida para la misma luminosidad.
Mi caso práctico
De momento os voy comentando que voy a usar LEDs high power de 1W, no SMDs ni bombillas ni nada parecido. He elegido estos porque según otros foreros que han hecho sus propias pantallas, se ha visto que con el tiempo los LEDs pierden luminosidad, por lo que sería una inversión fallida. También se ha visto que los LEDs de 1W tienen mejor relación lumen/W que otros LEDs, además de que nos permite tener más puntos emisores de luz más repartidos, lo cual produce una luz más uniforme.
Casi todos sabemos que los LEDs high power se calientan bastante, y que su vida útil depende de evitar que este calor sea excesivo. Por esta razón, es necesario disipar este calor poniendo los LEDs en bases/placas de aluminio, que pueden ser de uno solo LED o de varios. Yo voy a usar placas, o PCBs, de 3 LEDs. Estos PCBs tienen internamente conexiones entre los LEDs, lo cual facilitará mucho el montaje, pues tendremos que realizar menos conexiones nosotros. También he escogido de 3 LEDs porque es más fácil alimentarlos (suministrarles corriente eléctrica), pero esto ya lo explicaré más adelante.
De momento voy a poner unas fotos de lo que llevo hasta ahora para que aquellos que saben que estoy en este proyecto puedan ver algo nuevo. Ya iré explicándolo para el resto.
Aquí podéis ver lo que he usado como disipador, que es un carril de aluminio de los usados en los armarios empotrados. También podéis ver las conexiones. He intentado usar conectores para poder desconectar PCBs independientes sin tener que desoldar nada. No se aprecia bien, pero he usado resistencias a modo de driver, conectando una por cada PCB. Ya explicaré esto pero son de 3.6ohm, para poder conectar las PCBs a 12V.
Aquí podéis ver la otra parte del carril, con los PCBs de 3 LEDs cada uno. Se puede ver que he puesto 1 LED azul por cada 5 blancos. También podéis ver las lentes, que son de 30°, aprovechadas de otro montaje.
De momento me he dado cuenta que el carril no es suficiente para tantos LEDs, y que el conjunto se calienta bastante. Una de dos, o desconecto PCBs o le pongo otro disipador mas efectivo.
Seguiré comentando.
Ciao.
