Objetivo y caso de uso
Qué construirás: Un circuito que reduce el rizado de corriente en un LED utilizando un inductor en un control PWM de baja potencia.
Para qué sirve
- Suavizar la corriente en LEDs para aplicaciones de iluminación.
- Optimizar el rendimiento de LEDs en dispositivos portátiles.
- Minimizar el parpadeo en sistemas de control de brillo.
- Mejorar la eficiencia energética en circuitos de señalización.
Resultado esperado
- Reducción del rizado de corriente a menos del 5% en condiciones de carga máxima.
- Medición de la corriente del LED (I_LED) estable en 20 mA con un PWM del 100%.
- Latencia de respuesta del circuito de menos de 10 ms al cambiar el duty cycle.
- Consumo de potencia total del circuito por debajo de 100 mW.
Público objetivo: Estudiantes y entusiastas de la electrónica; Nivel: Básico
Arquitectura/flujo: +5 V → LED (D2) → Rsense (R1, opcional) → Inductor (L1) → MOSFET N canal (Q1) → GND, con diodo Schottky (D1) desde el nodo conmutado a +5 V y desacoplo C1/C2.
Checklist previa de elaboración y verificación
- Define tensión de alimentación, frecuencia PWM y corriente objetivo del LED.
- Selecciona un inductor con inductancia adecuada, baja Rdc e Isat por encima de la corriente pico esperada.
- Asegura un camino de recirculación con diodo Schottky hacia +V para la etapa conmutada.
- Emplea MOSFET lógico y red de puerta (Rg + pull‑down) compatibles con la señal PWM.
- Añade desacoplo de alimentación cerca del circuito (+µF y 100 nF).
- Prepara puntos de medida claros para V_LED, Vs (nodo conmutado) y V_RS (para I_LED).
- Revisa que a 100% de duty el LED no queda directo a 5 V (limitar duty o incluir resistencia de prueba).
Contexto específico
- Escenario: Caso práctico: Sustituir resistencia por inductor en LED PWM
- Objetivo: Suavizar la corriente del LED bajo PWM usando un inductor en serie y un diodo de rueda libre a +5 V.
- Topología (resumen): +5 V → LED (D2) → Rsense (R1, opcional) → Inductor (L1) → MOSFET N canal (Q1) → GND, con diodo Schottky (D1) desde el nodo conmutado a +5 V y desacoplo C1/C2.
- Mediciones (resumen): V_LED (tensión en el LED), V_RS (caída en R1 para calcular I_LED), Vs (nodo de conmutación), PWM (señal de puerta).
Materiales
- 1× Fuente DC 5 V estable
- 1× Generador de PWM 5 V (p.ej., Arduino UNO) a 10–20 kHz
- 1× D2 LED rojo 5 mm (Vf ≈ 2.0 V a 20 mA)
- 1× L1 Inductor 10 mH, Isat ≥ 100 mA, Rdc ≤ 20 Ω
- 1× Q1 MOSFET N canal lógico (IRLZ44N o AO3400)
- 1× D1 Diodo Schottky 1N5819
- 1× R1 Resistencia 10 Ω 1/4 W (opcional, como Rsense)
- 1× R2 Resistencia 100 Ω (serie en puerta)
- 1× R3 Resistencia 100 kΩ (pull‑down en puerta)
- 1× C1 47 µF (electrolítico) entre +5 V y GND
- 1× C2 100 nF (cerámico) entre +5 V y GND
- Cables, protoboard
- Multímetro y, opcionalmente, osciloscopio con sondas ×10
Guía de conexionado
- Conecta C1 y C2 en paralelo entre +5 V y GND, cerca del circuito.
- Desde +5 V, conecta en serie: D2 (LED, ánodo a +5 V), luego R1 (10 Ω, opcional), luego L1 (10 mH).
- Conecta el extremo inferior de L1 al nodo conmutado (Vs).
- Conecta Q1 como interruptor a masa: drenador al nodo Vs y fuente a GND.
- Conecta D1 con cátodo a +5 V y ánodo al nodo Vs (diodo de recirculación hacia +5 V).
- Puerta de Q1: conecta R2 (100 Ω) entre la señal PWM y la puerta. Conecta R3 (100 kΩ) entre puerta y GND.
- Une la masa del generador PWM con GND del circuito.
- Verifica polaridades: LED (ánodo a +5 V), diodo Schottky (cátodo a +5 V), condensadores correctos.
Esquemático
+5 V
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┌───────────────────┴───────────────────┐
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┌──────────┐ ┌──────────┐
│ │ C1 47 µF │ │ C2 100 nF
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V_LED+ ●───────┴───────────────────────────────┬───────┴───────────┐
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│ │ D2 LED rojo │
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└──────────┘ │
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V_LED- ●───────┴───────┐ │
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│ │ R1 │
│ │ 10Ω │
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│ │ L1 │
│ │10 mH│
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Vs ●───────┴───────┐ │
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│ │ D1 1N5819
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PWM ●───┐ │
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│ │ R2 100Ω │
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├──────────────┐ │
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│ │ R3 100kΩ │
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└──────────┘ │ │
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GND │ │
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│ │ │ Q1 IRLZ44N
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GND +5 V
Mediciones y pruebas
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Preparación:
- Ajusta la frecuencia PWM a 10–20 kHz para minimizar parpadeo audible/visual.
- Limita el ciclo útil (duty) inicial al 10–30% para proteger el LED (sin resistencia limitadora clásica).
- Verifica que el diodo D1 esté correctamente orientado (cátodo a +5 V).
-
V_LED (tensión en el LED):
- V_LED es la caída de tensión en D2. Mide entre V_LED+ (nodo +5 V sobre el LED) y V_LED− (nodo justo bajo el LED).
- Con multímetro en VDC: deberías ver ≈1.8–2.2 V promedio (LED rojo) y variación leve con el duty.
-
I_LED (corriente por el LED, vía resistencia de sentido):
- Coloca el multímetro en VDC y mide V_RS entre los extremos de R1 (usa los puntos a cada lado de R1).
- I_LED = V_RS / 10 Ω. Por ejemplo, si V_RS = 0.12 V, entonces I_LED ≈ 12 mA.
- Observa la variación de I_LED al cambiar el duty; la ondulación disminuirá a frecuencias PWM más altas y con L mayores.
-
Vs (nodo conmutado):
- Con osciloscopio en Vs, verás una onda pulsante entre ~0 V (Q1 ON) y > +5 V (a través de D1 cuando Q1 OFF).
- Comprueba tiempos de subida/bajada y ausencia de sobreoscilaciones marcadas.
-
PWM (puerta de Q1):
- Verifica en PWM la amplitud de 0–5 V y frecuencia configurada. Revisa que no haya rebotes ni caída de amplitud.
-
Barrido de duty:
- Incrementa el duty en pasos del 5–10% y registra V_LED e I_LED.
- No superes un I_LED promedio de 20 mA en este ejemplo; si te aproximas, reduce duty.
Errores comunes
- Usar 100% de duty: con L en DC no limita corriente; el LED puede dañarse. Mantén duty seguro o añade limitación adicional.
- Inductor con Isat insuficiente: al saturar, aumenta el rizado y se calienta. Elige Isat ≥ 2× I_LED prevista.
- Diodo lento o mal orientado: provoca picos de tensión y zumbidos. Usa Schottky (1N5819) con cátodo a +5 V.
- MOSFET no lógico: a 5 V de puerta puede no conmutar bien, elevando pérdidas. Emplea MOSFET lógico.
- Frecuencia PWM muy baja (≤1 kHz): produce parpadeo y mayor rizado de corriente.
Seguridad y buenas prácticas
- Evita tocar el circuito durante pruebas; el diodo e inductor pueden calentarse ligeramente.
- Si añades una resistencia de sentido, verifica su potencia: P ≈ I_LED²·R.
- Coloca C1 y C2 próximos al LED/inductor para reducir interferencias.
Mejoras y variantes
- Añadir una pequeña resistencia serie (5–22 Ω) para limitar corriente a 100% duty como salvaguarda.
- Implementar control de corriente en lazo cerrado con resistor de shunt y comparador/MCU.
- Aumentar la frecuencia PWM (20–40 kHz) para reducir más el rizado y evitar ruido audible.
- Sustituir el diodo por rectificación síncrona para mayor eficiencia (nivel intermedio/avanzado).
Verificación final
- Analiza el esquema comprobando continuidad: +5 V en la parte superior, GND en la inferior; sin nodos flotantes ni extremos abiertos.
- Verifica que la nomenclatura de materiales coincide (R1, R2, R3, C1, C2, D1, D2, L1, Q1) y que los valores son realistas.
- Confirma el camino de recirculación: nodo Vs → D1 → +5 V → LED → L1 → Vs.
- Revisa puntos de medida: V_LED+, V_LED−, Vs y PWM están accesibles; V_RS se toma a ambos lados de R1 para calcular I_LED.
- Si detectas inconsistencias (conexiones, polaridades, referencias), corrige el diagrama y repite la verificación.
- Imagina que cada línea es un cable real; si alguien cablea exactamente así, el circuito debe funcionar como descrito.
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Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer
Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
