Presento a mis lectores un artículo donde analizo el funcionamiento de las linternas chinas con LEDs, objetos tecnológicos de mala calidad producidos en cantidades industriales en China. El motivo es bastante simple, gracias a su bajo costo he comprado varias de ellas en los últimos años y la mayoría actualmente funcionan mal o directamente no funcionan. Como ustedes sabrán, el tema de los LEDs me interesa mucho y no pierdo oportunidad para descubrir nuevos modos de poder usarlos.

¿Se pueden conectar los leds sin resistencias?

Después de defender a capa y espada algunos conceptos fundamentales de electrónica, fruto de estudios teóricos y de experiencia práctica, me he preguntado alguna vez porque muchas linternas y otro adminículos con leds de bajo costo provenientes de China y otros países orientales no tienen resistencias limitadoras de corriente conectadas en serie con los leds. Probablemente, mi parte inconsciente negaba la evidencia y por lo tanto quedaba el misterio sin respuesta. Hace poco, un lector del blog me pidió ayuda para un proyecto de un sistema con leds que permitiera en un segundo momento de agregar más de ellos en un modo simple. La mejor solución era conectándolos en paralelo y sin usar resistencias. Es ahí que me acordé de los chinos y de sus fantásticas linternitas.

Primeras pruebas

Con un poco de coraje y sin demasiados remordimientos (odio quemar componentes inútilmente), conecté un led blanco sin resistencia a una fuente de alimentación variable y empecé a subir la tensión midiendo contemporáneamente la corriente hasta que el led murió al servicio del deber. Bueno, la cosa interesante es que no se quemó inmediatamente, es más, con una cierta gama de tensión, la corriente del led aumentaba linearmente y en modo controlado.

La explicación

La cosa se ponía interesante. El segundo paso era estudiar las hojas del fabricante (data-sheet) de algunos leds para ver la curva tensión – corriente. Y así fue que se resolvió el misterio de los chinos: existe una zona, bastante estrecha mas bien, en la cual, un aumento progresivo de tensión corresponde a un aumento progresivo de corriente. Es decir: manteniéndose en eta zona, es posible encender un led sin usar resistencia.

El problema está en la reducida gama de tensión para mantener controlada la corriente que pasa por el led: para los leds blancos y azules menos de 1V. Para los rojos mucho menor. Para empeorar las cosas, no todos los modelos de leds tienen el mismo umbral de tensión. En la figura podemos observar una curva tensión – corriente del led blanco usado como ejemplo.

Lo que se gana en seguridad se pierde en eficiencia

Agregar una resistencia en serie con el led nos permite de controlar bien la corriente que pasa por el circuito, especialmente en el caso de grandes variaciones de la tensión de alimentación. El mejor resultado se obtiene cuando la tensión de alimentación es mucho mayor que la tensión de umbral del led como por ejemplo, alimentar un solo led blanco con 12V. Por otro lado, lo que ganamos en seguridad lo perdemos en eficiencia porque gran parte de la potencia entregada se disipará en la resistencia y no en el led.

Veamos un caso concreto: un led blanco con tensión de umbral de 3,6V alimentado con 12V necesitaría una resistencia en serie de 420 ohm para haber una corriente de 20mA. Bien, si en un cierto momento subiéramos la tensión de 12V a 15V (3V de más) manteniendo la misma resistencia, la corriente en vez de 20mA subiría a 27mA que es un valor perfectamente aceptable para un led de este tipo.

Por el contrario, si en vez de 12V conectáramos el led del caso anterior a 5V, la resistencia necesaria para hacer pasar 20 mA por el mismo sería de 70 ohms. Pero, si aumentáramos la tensión de 3V como en el caso anterior, pasando de 5V a 8V, la corriente aumentaría a 62mA (tres veces más corriente) y después de poco tiempo el led se quemaría.

Por lo tanto, la resistencia nos sirve como “moderador”, más tensión cae sobre ella, más tolerante es el circuito a las variaciones de alimentación. Y aquí llegamos a la conclusión fundamental en el caso de las linternas chinas, como la resistencia no existe, la corriente que pasa por las leds variará mucho desde el momento que las pilas son nuevas hasta que están medio descargadas.

Midiendo la “linternita”

El modelo de linterna que he elegido para hacer las pruebas tiene 9 leds blancos conectados en paralelo y un “pack” de tres pilas de 1,5V conectadas en serie como en la figura. Observando la curva de descarga de una pila alcalina común tipo AAA, podemos ver que, partiendo de una tensión inicial de 1,5V, después de menos de media hora de linterna encendida (40 minutos exactamente), la tensión de la pila baja hasta 1,2V.

No obstante esto, queda bastante carga disponible porque hemos consumido solamente un quinto de la energía almacenada en ella. Podemos considerar la pila agotada cuando, bajo consumo, la tensión desciende a 1V. Por lo tanto, durante la mayor parte de su vida útil, la tensión de la pila será entre 1,2V y 1,1V.

Bien, volviendo a nuestra linterna, con pilas nuevas, la tensión total de alimentación en teoría tendría que ser de 4,5V (1,5V para cada pila conectada en serie). Considerando una corriente de 20mA por cada led, la corriente total debería ser de 180mA.

Para poder simular la descarga de la pilas he usado una fuente de alimentación estabilizada y dos multímetros para medir contemporáneamente tensión y corriente. En la primera fotografía podemos observar que con una tensión de alimentación de 4V la corriente es de 620 mA, es decir casi 70 mA por led ¡una enormidad! Y estamos medio Volt por debajo de la tensión máxima posible de las tres pilas. Semejante consumo obviamente, más allá de la notable luz que da la linterna, se “come” olímpicamente nuestras pilas y daña los leds.

Hay algo que no funciona

Un consumo inicial tan alto no tenía sentido. Era necesario probar directamente con 3 pilas nuevas. Así he hecho y los resultados fueron peores de los obtenidos con la fuente de alimentación como se puede observar en la fotografía. Es decir, en los primero instantes, la corriente que pasaba por los leds era elevadísima.

Esto hace que las pilas, se descarguen rápidamente bajando su tensión de salida a 1,2V o menos. Desde ese momento el sistema se estabiliza, la corriente baja a 280 mA que dividido por los 9 leds nos da 31mA, es decir una corriente “decente”. Lástima que para llegar a esa situación, nos hemos comido mitad de las pilas y torturado inútilmente un grupo del leds.

¿Y entonces?

Objetivamente hablando, una linterna así mal hecha tiene una ventaja para el vendedor: al principio dan una luz impresionante y difícilmente uno resiste a la tentación de comprarla a precios tan convenientes. Pero el engaño está bajo el ala como con gran parte de los gadget tecnológicos baratos provenientes del oriente.

Probando otros modelos

Naturalmente, hacer un análisis profundizado de un solo modelo de linterna no es suficiente para crear una regla. Tampoco era mi objetivo escribir un libro sobre el tema (aunque si la tentación no me falta). De cualquiera manera, para completar un poco mejor este artículo, he hecho mediciones sobre otros modelos de linternas. En dos de ellas me encontré con la misma situación de la primera mientas que con la última, no obstante el exceso de corriente inicial no se produjera, encontré otro problema bastante serio. Me explico mejor.

El modelo de linterna en cuestión es mas pequeño, con solamente 3 leds y dos pilas como se observa en la fotografía. Los leds que ha usado el fabricante tienen una tensión de umbral mas baja, alrededor de 2,8V. En este caso no existe el riesgo de exceso de corriente porque la tensión disponible con pilas nuevas es ligeramente superior a la tensión de umbral de los leds. El problema con este modelo es que si las pilas no son completamente nuevas, la corriente y la luz obtenida es muy pobre. Un usuario que no sabe esta característica, cambiaría las pilas por otras nuevas y tirando las “viejas” que en realidad son casi nuevas (mas del 80% de la capacidad de la pila todavía disponible).

Solución precaria con las linternas chinas de tres pilas

Simplemente pongo dos pilas medio gastadas junto con una nueva para obtener una tensión de 3,8V y un consumo mas equilibrado, obteniendo una luz decente. Cuando la luz empieza a ser floja, cambio una de las pilas viejas por otra nueva y así sucesivamente.

¿Existen soluciones para construir una linterna a led decente?

El modo mas simple es el de agregar mas pilas para obtener una tensión mas elevada y introducir una resistencia en serie. Por ejemplo, con 4 pilas de 1,5V y usando 9 leds de 3,6V 20 mA, serviría una resistencia de 10 ohms.

El mejor modo sería el de usar un convertidor DC-DC switching de alto rendimiento para controlar en modo eficiente la corriente que pasa por los leds y mantenerla inmutable cuando la tensión de las pilas baja a medida que se descargan.

Conclusión.

Los experimentos que hemos hecho nos han demostrado que es posible alimentar un grupo de leds del mismo tipo en paralelo y sin usar resistencias, manteniendo como condición que la tensión de alimentación sea estabilizada y que se pueda regular con precisión para hacer pasar por ellos la corriente justa.

En la última figura muestro un circuito de este tipo que posee dos ventajas: la primera es la simplicidad, la segunda es que se pueden agregar leds en un segundo momento sin necesidad de modificar nada. El defecto que tiene es que la tensión es muy crítica y por lo tanto es necesario usar una fuente de alimentación estabilizada y regulable.

 

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