Caso práctico: Limitación de corriente en un LED

Nivel: Básico. Demostrar cómo una resistencia protege un componente sensible (LED) limitando el flujo de corriente según la Ley de Ohm.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirá un circuito en serie fundamental conectando una fuente de voltaje de CC, una resistencia limitadora de corriente y un Diodo Emisor de Luz (LED).

Por qué es útil:
* Protección de componentes: Evita que el LED consuma una corriente excesiva y se queme instantáneamente.
* Aplicación de la Ley de Ohm: Demuestra visualmente la relación entre Voltaje, Corriente y Resistencia ($I = V/R$).
* Indicación de estado: Forma la base para los indicadores de encendido en casi todos los dispositivos electrónicos.
* Herramientas de diagnóstico: Los circuitos LED simples se utilizan a menudo para depurar niveles lógicos en sistemas complejos.

Resultado esperado:
* El LED se enciende de forma constante sin sobrecalentarse.
* La corriente que fluye a través del circuito permanece dentro del rango seguro (típicamente 10–20 mA).
* La caída de voltaje a través de la resistencia corresponde al voltaje de alimentación menos el voltaje directo del LED.

Público objetivo y nivel: Principiantes y estudiantes que comienzan con el análisis básico de componentes.

Materiales

• V1: Fuente de 5 V CC
• R1: Resistencia de 220 Ω, función: limitación de corriente
• D1: LED rojo, función: emisión de luz
• M1: Multímetro, función: medición de corriente (A)
• M2: Multímetro, función: medición de voltaje (V)

Guía de conexionado

Este circuito utiliza una topología en serie. Definimos los nodos como VCC (Fuente de 5V), 0 (Tierra) y NODE_A (Conexión intermedia).

• V1 (Fuente de CC): El terminal positivo se conecta al nodo VCC. El terminal negativo se conecta al nodo 0.
• R1 (Resistencia): Se conecta entre el nodo VCC y el nodo NODE_A.
• D1 (LED): El ánodo se conecta al nodo NODE_A. El cátodo se conecta al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ SOURCE ]                  [ CURRENT CONTROL ]              [ OUTPUT / LOAD ]

    [ V1: 5V DC ] --(VCC)--> [ R1: 220 Ohm ] --(Node A)--> [ D1: Red LED ] --(0)--> [ GND ]

Mediciones y pruebas

Para validar la Ley de Ohm y la seguridad de los componentes:

1. Calcular la corriente esperada:
   • Asumir Voltaje Directo del LED ($V_f$) $\approx$ 2.0 V.
   • Voltaje a través de R1: $V_{R1} = V_{source} – V_f = 5V – 2V = 3V$.
   • Corriente esperada: $I = V_{R1} / R1 = 3V / 220\Omega \approx 13.6 mA$.
2. Medición de voltaje: Configure el multímetro M2 en Voltios de CC. Mida a través de R1 (puntas en VCC y NODE_A). La lectura debe ser de aproximadamente 3 V.
3. Medición de corriente: Abra el circuito en el nodo VCC o 0 e inserte el multímetro M1 en serie (modo Amperímetro). La lectura debe estar cerca de 13–14 mA.
4. Comprobación visual: El LED debe emitir una luz roja brillante y constante.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Current limiting in an LED

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply connected between VCC and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor
* Function: Current limiting
* Connected between VCC and NODE_A
R1 VCC NODE_A 220

* D1: Red LED
* Function: Light emission
* Anode connected to NODE_A, Cathode connected to 0 (GND)
D1 NODE_A 0 DLED

* --- Models ---
* Model for D1 (Red LED)
* Parameters: IS (Saturation Current), N (Emission Coefficient), RS (Series Resistance)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Current limiting in an LED

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply connected between VCC and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor
* Function: Current limiting
* Connected between VCC and NODE_A
R1 VCC NODE_A 220

* D1: Red LED
* Function: Light emission
* Anode connected to NODE_A, Cathode connected to 0 (GND)
D1 NODE_A 0 DLED

* --- Models ---
* Model for D1 (Red LED)
* Parameters: IS (Saturation Current), N (Emission Coefficient), RS (Series Resistance)
* Tuned for approximately 1.8V - 2.0V forward voltage drop
.model DLED D (IS=1e-14 N=2.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Directives ---
* Calculate DC operating point
.op

* Transient analysis (Required for .print output generation)
* Step: 100us, Stop: 10ms
.tran 100u 10m

* --- Output / Measurements ---
* Simulating M2 (Multimeter - Voltage): Probing NODE_A (Voltage across LED)
* Simulating M1 (Multimeter - Current): Probing I(V1) (Total circuit current)
* Note: I(V1) will be negative as current flows out of the voltage source.
.print tran V(VCC) V(NODE_A) I(V1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (108 rows)

Index   time            v(vcc)          v(node_a)       v1#branch
0	0.000000e+00	5.000000e+00	1.880179e+00	-1.41810e-02
1	1.000000e-06	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
2	2.000000e-06	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
3	4.000000e-06	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
4	8.000000e-06	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
5	1.600000e-05	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
6	3.200000e-05	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
7	6.400000e-05	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
8	1.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
9	2.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
10	3.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
11	4.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
12	5.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
13	6.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
14	7.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
15	8.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
16	9.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
17	1.028000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
18	1.128000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
19	1.228000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
20	1.328000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
21	1.428000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
22	1.528000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
23	1.628000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
... (84 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del LED invertida: Conectar el cátodo del LED al positivo. Solución: Asegúrese de que la pata más larga (Ánodo) esté orientada hacia el lado del voltaje positivo (hacia R1).
2. Omitir la resistencia: Conectar el LED directamente a 5V. Solución: Verifique siempre que la resistencia esté en serie antes de aplicar energía para evitar destruir el LED.
3. Medir corriente en paralelo: Intentar medir la corriente colocando las puntas a través del LED como un voltímetro. Solución: Abra siempre la ruta del circuito y coloque el medidor en serie para las mediciones de corriente.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED no se enciende.
  • Causa: LED conectado al revés o circuito abierto.
  • Solución: Verifique la orientación (Ánodo/Cátodo) y asegúrese de que todas las conexiones de la placa de pruebas (breadboard) estén firmes.
• Síntoma: El LED parpadea una vez y muere.
  • Causa: No se utilizó resistencia limitadora de corriente (el LED se quemó).
  • Solución: Reemplace el LED y asegúrese de que R1 (220 Ω) esté instalada correctamente.
• Síntoma: El LED es muy tenue.
  • Causa: El valor de la resistencia es demasiado alto (por ejemplo, usando 10 kΩ en lugar de 220 Ω).
  • Solución: Verifique las bandas de color de la resistencia o mida R1 con un multímetro.
• Síntoma: El multímetro lee 0 A.
  • Causa: Fusible fundido en el multímetro o selección de modo incorrecta.
  • Solución: Verifique las conexiones de las puntas de prueba (Com/mA) y asegúrese de que el dial del medidor esté configurado en Corriente CC.

Posibles mejoras y extensiones

1. Brillo variable: Reemplace R1 con un potenciómetro de 1 kΩ en serie con una resistencia de seguridad de 100 Ω para ajustar manualmente el brillo.
2. Múltiples colores: Cambie el LED rojo por uno azul o verde y mida el cambio en la corriente (los diferentes colores tienen diferentes voltajes directos, lo que afecta el cálculo).

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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