Caso práctico: Uso de inductor para suavizar corriente LED

Checklist rápida para elaborar y verificar el esquema
– Define la fuente y el tipo de excitación (PWM: amplitud, frecuencia, duty).
– Elige valores realistas (L, R, D, MOSFET) y comprueba corrientes y tensiones máximas.
– Traza la ruta principal de corriente y la ruta de rueda libre del inductor.
– Coloca puntos de medida claros para V_LED y la corriente (medida indirecta con R1).
– Revisa polaridades de diodos/LED y referencia de GND.
– Comprueba que no existan nodos flotantes ni extremos abiertos.
– Ajusta la frecuencia PWM para que L reduzca el rizado sin saturarse.

Contexto específico
– Escenario: Caso práctico: Uso de inductor para suavizar corriente LED
– Objetivo: Demostrar que un inductor en serie con un LED, más un diodo de rueda libre, reduce el rizado de corriente cuando el LED es excitado por PWM.
– Topología (resumen): Conmutación por PWM con MOSFET en el lado bajo; cadena +5 V → L1 → LED → R1 → MOSFET → GND; diodo Schottky D2 desde el nodo entre R1 y MOSFET hacia +5 V para la corriente de rueda libre.
– Mediciones (resumen): V_LED (tensión en LED), V_R1 (para calcular I_LED = V_R1/R1), observación del rizado antes/después de ajustar el duty/frecuencia.

Materiales

• 1 × Fuente DC +5 V (≥ 200 mA)
• 1 × Inductor L1 = 10 mH, Isat ≥ 100 mA, DCR baja
• 1 × LED blanco D1 (≈ 3.0 V @ 20 mA)
• 1 × Resistor R1 = 10 Ω, 1/4 W (sensor de corriente)
• 1 × Diodo Schottky D2 = 1N5819 (o similar, 1 A, 40 V)
• 1 × MOSFET canal N Q1 (2N7000 o AO3400, lógica a 5 V)
• 1 × Generador PWM 0–5 V (p. ej., Arduino a ~20 kHz)
• 1 × Protoboard y cables
• Opcional: 1 × Resistor Rg = 100 Ω en serie a la compuerta del MOSFET

Guía de conexionado

• Conecta el bus de +5 V y el de GND en la protoboard.
• En serie desde +5 V hacia GND, cablea: L1 → D1 (LED, ánodo arriba) → R1.
• Conecta el extremo inferior de R1 al drenador de Q1; la fuente de Q1 a GND.
• Conecta el diodo D2 entre +5 V (cátodo a +5 V) y el nodo R1–Q1 (ánodo al nodo); esta es la ruta de rueda libre.
• Lleva la señal PWM (0–5 V) al gate de Q1; referencia el generador PWM a GND común. Si usas Rg, ponla entre PWM y gate.
• Revisa polaridades: LED con ánodo hacia L1; D2 con cátodo al +5 V; no inviertas el MOSFET (drenador al nodo de R1).

Esquemático

            +5V ────────────────┬─────────────────────────────
                                │
                                │
                              ┌─┴─┐
                              │   │  L1 10 mH
                              │   │
                              └─┬─┘
                                │
                           ● VLED+
                                │
                              ┌─┴─┐
                              │   │  D1 LED
                              │   │
                              └─┬─┘
                           ● VLED-
                                │
                              ┌─┴─┐
                              │   │  R1 10 Ω
                              │   │
                              └─┬─┘
                           ● VR1+
                                │
                                ├───────────────┐
                                │               │
                              ┌─┴─┐             │
                              │   │  Q1 N-MOSFET│
                              │   │  2N7000     │
                              └─┬─┘             │
                                │               │
                           ● VR1-               │
                                │               │
                               GND            ┌─┴─┐
                                              │   │  D2 1N5819
                                              │   │
                                              └─┬─┘
                                                │
                                                │
                                                │
            PWM 0–5V                           A│K
             ┌─┐                                 │
             │ │  V1                             │
             │ │                                 │
             └─┘                                 │
               │                                 │
               └───────────── Gate Q1 ───────────┘
               │
              GND

Mediciones y pruebas

• Preparación:

  • Ajusta el PWM a 20 kHz (frecuencias de audio altas evitan parpadeo/audibles).
  • Comienza con duty ≈ 50%. Asegura polaridades correctas antes de energizar.

• Definiciones de magnitudes:

  • V_LED: tensión en el LED. Se mide entre los puntos VLED+ (ánodo del LED) y VLED− (cátodo del LED).
  • V_R1: tensión en el resistor sensor. Se mide entre VR1+ (parte superior de R1) y VR1− (nodo común R1–Q1).
  • I_LED: corriente media por el LED. Se calcula como I_LED = V_R1 / R1. Con R1 = 10 Ω, 0.20 V equivalen a 20 mA.

• Medición con multímetro (modo DC):

  • Coloca el multímetro en VDC y mide V_R1 entre VR1+ y VR1−.
  • Calcula I_LED = V_R1 / 10 Ω. Ajusta el duty del PWM hasta obtener ≈ 20 mA.
  • Mide V_LED entre VLED+ y VLED− para confirmar ≈ 2.8–3.2 V (LED blanco típico).

• Observación del rizado (osciloscopio):

  • Canal 1: V_R1. Usa escala de 100 mV/div aprox. y acoplamiento DC.
  • Estima el rizado de corriente como ΔI ≈ ΔV_R1 / 10 Ω. Con L1 = 10 mH y f_PWM ≈ 20 kHz deberías ver ΔI de pocos mA.
  • Cambia la frecuencia: reduce a 5 kHz y observa cómo aumenta el rizado (ΔI crece al bajar f_PWM).
  • Cambia L1: si dispones de 4.7 mH y 22 mH, compara el rizado (a mayor L, menor ΔI).

• Comparativa con/sin inductor:

  • Puentea L1 (quítalo temporalmente) y repite la medida de V_R1: observarás una onda más cuadrada (corriente pulsante) y mayor rizado percibido/visible en el LED.
  • Restaura L1 y verifica la reducción del rizado (onda más triangular de menor amplitud en V_R1).

• Verificación térmica y de seguridad:

  • Toca R1 y D2 tras 2–3 minutos: deben estar tibios o fríos. Si se calientan excesivamente, reduce duty o revisa conexiones.

Explicación breve del funcionamiento

• Cuando Q1 conduce (PWM en alto), la corriente crece a través de L1, LED y R1. El inductor se opone a cambios bruscos y la corriente aumenta con pendiente controlada.
• Cuando Q1 se apaga (PWM en bajo), la corriente del inductor no puede interrumpirse; fluye por la ruta de rueda libre a través de D2 hacia +5 V manteniéndose a través del LED y R1, suavizando la corriente.
• A mayor L o mayor f_PWM, menor rizado de corriente ΔI y menor parpadeo.

Errores comunes

• Invertir el diodo D2 (cátodo debe ir a +5 V). Si está al revés, el LED parpadeará fuerte y pueden producirse picos de tensión.
• Olvidar la referencia común: el generador PWM y la fuente de +5 V deben compartir GND.
• Usar L1 con corriente de saturación baja: si L1 satura, el rizado aumenta y pueden calentarse componentes.
• Frecuencia PWM muy baja (p. ej., < 1 kHz): puede observarse parpadeo y mayor rizado.

Seguridad y buenas prácticas

• No excedas el duty hasta el punto de superar la corriente nominal del LED. Controla I_LED con V_R1.
• Usa diodo Schottky para minimizar pérdidas y picos (D2).
• Mantén cables cortos para reducir inductancias parásitas y ruido de conmutación.

Posibles mejoras

• Añadir un pulldown en gate (100 kΩ) para asegurar apagado en arranque.
• Sustituir Q1 por un MOSFET lógico de baja R_DS(on) (AO3400, IRLZ44N) si se busca mayor margen.
• Implementar control de corriente en lazo cerrado midiendo V_R1 y ajustando el duty automáticamente (driver de corriente real).

Verificación final

1. Analiza el esquema: hay una única ruta de corriente principal y una ruta de rueda libre clara mediante D2.
2. Revisa reglas: componentes etiquetados y con valores realistas; +5 V arriba y GND abajo; sin nodos flotantes; puntos de medida marcados; diodo con K hacia +5 V; diagrama ajustado a ancho.
3. Si algo no cuadra (por ejemplo, polaridad de D2/LED o conexiones del gate), corrige y vuelve a revisar.
4. Piensa en el cableado físico: si alguien replica exactamente las conexiones del diagrama, el circuito debe funcionar y permitir todas las mediciones descritas.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?