domingo, 25 de enero de 2015

CALCULO DE RESISTENCIAS PARA CIRCUITOS CON LED

Un LED, acrónimo de Light Emitting Diode, es un diodo que tiene la particularidad de emitir luz cuando circula una corriente a través de él. El primer led fue construido en 1927 por el físico ruso Oleg Lósev. Posteriormente, en 1962, el estadunidense Nick Holonyak desarrolló el led tal como lo conocemos, siendo considerado como su inventor.

Curva característica del led amarillo LY350 de Seoul Semiconductor
La luz emitida por un led depende de los materiales empleados en su construcción. Los colores existentes en la actualidad son el rojo, amarillo, verde, naranja, blanco frío, blanco cálido, blanco día, y azul. Además existen ledes que emiten fuera del campo visible, es decir, en la zona de los infrarrojos y de los ultravioletas.

Un led se comporta prácticamente igual que un diodo (de hecho es un diodo), es decir, permite el paso de corriente de ánodo a cátodo y lo impide en sentido contrario. En el sentido de conducción, una vez superada la tensión de umbral (que varía para cada tipo de color del led) éste empieza a emitir luz aumentando su brillo según va aumentando el voltaje suministrado. Como su curva en esta zona tiene mucha pendiente la intensidad aumenta rápidamente hasta llegar a la intensidad máxima a la cual el led se funde.

En teoría podríamos alimentar un led directamente con una fuente de alimentación de la tensión adecuada. En el caso del led amarillo LY350 del gráfico anterior para que la corriente que circule sea de 20 mA sería necesario conectarle a 2,2 VDC aproximadamente.  Es decir, nos encontramos ya con el primer problema, y es que estos valores no suelen corresponder con fuentes comerciales y por tanto no parece una opción económica.

Curva característica del led blanco LW340A de Seoul Semiconductor
Hemos dicho que la tensión de umbral y la curva características varían en función del tipo de color de cada led. En la figura se puede ver el led blanco LW340A que requiere una tensión de unos 3.2 VDC para que circulen 20 mA.

Dado que en una maqueta ferroviaria es normal emplear luces rojas, amarillas o naranjas y  verdes para las señales y luces más o menos blancas para iluminación de edificios, andenes, calles, etc. tendríamos que utilizar prácticamente una fuente de alimentación para cada color con lo que el diseño se complicaría y se encarecería.

La solución pasa por utilizar una fuente de una tensión normalizada y colocar una resistencia que, a la intensidad a la que queremos que trabaje el led, absorba parte del voltaje dejando la tensión del led en el valor requerido por éste.

Un esquema sencillo en el que solo existe un led sería el de la figura. Si aplicamos la ley de Ohm a este circuito tendremos:

V fuente  - Vled = I x R

De donde el valor de la resistencia a colocar es:

Ra = ( V fuente  -  Vled ) / I

Los valores de la tensión del led, Vled dependen del color del led. Lo ideal sería disponer de las curvas características, o del valor Vled @ I de los ledes que vayamos a emplear pero esto a veces no es posible. Como solución pueden utilizarse los valores de la tabla adjunta que ha sido realizada para los colores más habituales.


COLOR DEL LED
Vled
I


Rojo
2,0 V
15 mA


Naranja
2,1 V
20 mA


Amarillo
2,1 V
20 mA


Verde
2,3 V
20 mA


Azul
3,4 V
25 mA


Blanco
3,3 V
25 mA


Como puede verse en la tabla hay dos grupos de ledes, los de color rojo, naranja, amarillo y verde trabajan a tensiones parecidas (entre 2,0 y 2,3 V) y los blancos y azules trabajan prácticamente a la misma tensión (entre 3,3 y 3,4 V) pero bastante más elevada que los otros.

La corriente I que va a circular por el led depende por supuesto del tipo escogido pero a falta de otros datos de toman valores comprendidos entre 10mA y 30m. El primer valor suele corresponder con la tensión de encendido y el led emitirá muy poca luz. El segundo valor suele ser la corriente máxima que soporta dando mucha luminosidad pero con una vida útil muy corta. Lo normal, si no se dispone de datos exactos es tomar 15mA para los ledes rojos, 20mA para ledes naranjas, amarillos y verdes y 25mA para azules y blancos.

Así, por ejemplo, la resistencia que necesitará un led amarillo 2,1V @ 20mA montado en seríe como en el esquema anterior, aplicando valores en la fórmula anterior, será igual a:

- Para una tensión de alimentación de 12 Voltios     R = 495 Ω
- Para una tensión de alimentación de 5 Voltios       R = 145 Ω

Como los valores obtenidos no son comerciales se tomará el más próximo (normalmente hacia arriba) de la tabla anexa. En este caso, para el led alimentado a 12 V correspondería una resistencia de 510 Ω y para el alimentado a 5 V una de 150 Ω.

VALORES NORMALIZADOS DE LAS RESISTENCIAS COMERCIALES
x 1
x 10
x 100
x 1000
 (K)
x 10.000
(10K)
x 100.000
(100K)
x 1.000.000  (M)
1R Ω
10R Ω
100R Ω
1K Ω
10K Ω
100K Ω
1M Ω
1R2 Ω
12R Ω
120R Ω
1K2 Ω
12K Ω
120K Ω
1M2 Ω
1R5 Ω
15R Ω
150R Ω
1K5 Ω
15K Ω
150K Ω
1M5 Ω
1R8 Ω
18R Ω
180R Ω
1K8 Ω
18K Ω
180K Ω
1M8 Ω
2R2 Ω
22R Ω
220R Ω
2K2 Ω
22K Ω
220K Ω
2M2 Ω
2R7 Ω
27R Ω
270R Ω
2K7 Ω
27K Ω
270K Ω
2M7 Ω
3R3 Ω
33R Ω
330R Ω
3K3 Ω
33K Ω
330K Ω
3M3 Ω
3R9 Ω
39R Ω
390R Ω
3K9 Ω
39K Ω
390K Ω
3M9 Ω
4R7 Ω
47R Ω
470R Ω
4K7 Ω
47K Ω
470K Ω
4M7 Ω
5R1 Ω
51R Ω
510R Ω
5K1 Ω
51K Ω
510K Ω
5M1 Ω
5R6 Ω
56R Ω
560R Ω
5K6 Ω
56K Ω
560K Ω
5M6 Ω
6R8 Ω
68R Ω
680R Ω
6K8 Ω
68K Ω
680K Ω
6M8 Ω
8R2 Ω
82R Ω
820R Ω
8K2 Ω
82K Ω
820K Ω
8M2 Ω




Si queremos aumentar o disminuir la intensidad luminosa que produce el led podemos colocar una resistencia  normalizada de valores inferiores (o superiores) a la obtenida. En el caso anterior si en lugar de la resistencia de 510 Ω colocamos el valor superior siguiente (560 Ω) aplicando la ley de Ohm al circuito tendremos:

12 – Vled = 560 x I

Ecuación con dos incognitas, Vled e I, que están ligadas por la curva característica del led, es decir la solución se encuentra en el punto donde la recta 12-Vled = 560 x I se corta con la curva del led.



El problema se resuelve de manera gráfica dibujando una recta cuyos puntos de corte con los ejes son:
Para Vled = 0    I = 12 / 560 = 21,4 mA
Para Vled = 3    I = (12 – 3) / 560 = 16 mA

En este caso viendo el punto de corte, al colocar la con la nueva resistencia R = 560 Ω, el led funcionará a una tensión Vled = 2,2 V con una corriente I = 18mA Al ser menor la corriente que circula la intensidad luminosa del led habrá disminuido.

Si esta luminosidad no fuera la deseada podemos ir probando con otros valores de resistencias hasta encontrar el más adecuado a nuestros deseos o necesidades.

Otro método para conseguir una luminosidad determinada consiste en colocar en serie con el led, un potenciómetro (resistencia variable) y mover su actuador hasta conseguir el efecto deseado. Al llegar a este punto medimos la resistencia R entre las bornas de salida del potenciómetro y si no existe una resistencia del valor requerido montamos dos resistencias en serie cuya suma sea igual al valor R obtenido.

Para el caso de montar dos o más ledes en serie el valor de la resistencia a colocar sería:

R = ( V fuente -  Vled1 - Vled2 ) / I

En este caso es necesario comprobar que la suma de los voltajes de los ledes 1, 2,… no sea superior al valor de la tensión de la fuente pues en caso contrario no se encendería ninguno.

Si en este circuito hubiera dos ledes amarillos (2,1V @ 20mA) como los del ejemplo anterior, los valores de las resistencias serían:

- Para una tensión de 12 Voltios     R = 390 Ω  y se colocaría una resistencia comercial de 390 Ω
- Para una tensión de 5 Voltios       R = 40 Ω  y se colocaría una resistencia comercial de 39 Ω

El problema de colocar los ledes en serie es que si uno cualquiera de ellos se funde los demás dejan de emitir luz pues se interrumpe el paso de corriente. De todas formas la vida de los ledes, si no están alimentados con corrientes muy altas, es muy larga.

Para el caso de montar dos o más ledes en paralelo (deberán ser del mismo tipo) el valor de la resistencia (para dos ledes) a colocar sería:

R = ( fuente - Vled ) / 2 x I

(En el caso de n ledes en el denominador se pondra n x I )

Para los ledes amarillos  (2,1V @ 20mA) de los ejemplos anteriores el valor de la resistencia R sería:


- Para una tensión de 12 Voltios     R = 247 Ω  y se colocaría una resistencia comercial de 270 Ω
- Para una tensión de 5 Voltios       R = 72 Ω  y se colocaría una resistencia comercial de 82 Ω

Si en un montaje en paralelo los ledes no son exactamente iguales puede suceder que unos luzcan más que otros e incluso en montajes en paralelo con ledes de distinto color puede ocurrir que solo se encienda el de valor Vled más bajo.

Este tipo de montaje también presenta un problema sobre todo en el caso de montajes con solo dos ledes en paralelo. Si uno de los ledes se funde la corriente aumentara hasta casi el doble de su valor con lo que el otro led, en el mejor de los casos emitirá bastante más luz, y en el peor se fundirá.

El montaje más recomendable cuando se trata de alimentar en paralelo varios ledes, con una sola fuente de alimentación, es colocarlos en paralelo pero con su resistencia incorporada en ese ramal. De ese modo si un led se funde no afectará al resto. La intensidad total que demandaremos a la fuente está dada por la suma de las intensidades que circulan por cada led y si todos son iguales será igual a I x el número de diodos y deberá comprobarse que este valor es inferior al numero de mA indicados en ella. 

Para el caso de que en la fuente solo se indique el valor de su potencia en Watios multiplicaremos el valor de los miliamperios totales por la tensión de la fuente, es decir; W = n x I x V fuente / 1000 (siendo n el número de diodos)

De todas formas, todos los montajes en paralelo presentan el problema de necesitar una fuente de alimentación de una potencia, para el mismo número de ledes, superior a la requerida cuando se montan en serie. Como recomendación se sugiere estudiar muy bien la aplicación antes de decidirse por un tipo de montaje u otro

Es muy normal colocar las resistencias en el lado de ánodo pero pueden colocarse perfectamente en el lado del cátodo sin que esto afecte para nada el funcionamiento del circuito.

Para conocer el valor de una resistencia existe un método de identificación basado en un código de colores. Las resistencias llevan pintadas una serie de bandas (de 4 a 6) de colores que nos permiten conocer su valor en ohmios, su tolerancia y en los sistemas de 6 bandas, su coeficiente térmico.

Para leer este código de barras hay que colocar la resistencia con la banda más próxima al borde, en el lado izquierdo (a la derecha quedará normalmente una banda dorada o plateada)

Las dos primeras bandas corresponden a los dos primeros dígitos del valor de la resistencia y la tercera banda al número por el que hay que multiplicar el conjunto de los dos números anteriores para obtener el valor en ohmios.

Así, por ejemplo, una resistencia de 270 Ω con tolerancia del 5% tendrá, de izquierda a derecha, las siguientes bandas:
Roja = 2     Morada = 7     Marrón = x 10     Oro = 5%


Una vez determinado el valor de la resistencia en ohmios hay que calcular la cantidad de watios que debe disipar la resistencia. Esta potencia viene dada por la formula WI2 x R siendo W el valor de la potencia a disipar, R el valor óhmico de la resistencia seleccionada e I la intensidad que circula.

Para los ejemplos (led amarillo 2,1V @ 20mA) anteriores se tendrá
Un solo led:                     a 12 V    (R=510  Ω)   W=0,204W                 A 5 V  (R=150 Ω)   W=0,060W
Dos ledes en serie          a 12 V    (R=390  Ω)   W=0,156W                 A 5 V  (R=39 Ω)     W=0,016W
Dos ledes en paralelo     a 12 V    (R=270  Ω)   W=0,216W                 A 5 V  (R=82 Ω)     W=0,065W

Las potencias normalizadas para las resistencias son:
0,125W (1/8W)                0,250W (1/4W)                0,500W (1/2W)                1,0W                     2,0 W
3,0W                                    5,0W                                7,0W                              10W                       15W

Y en ejemplo anterior escogeríamos una resistencia de 1/4W para los montajes alimentados a 12V y una de 1/8W para los alimentados a 5V.

Un led hay que conectarlo correctamente a la fuente de alimentación si queremos que funcione. El ánodo (+) debe de conectarse del lado del polo positivo de la fuente de alimentación y el cátodo (-) al negativo. La resistencia puede colocarse en cualquiera de los lados sin que ello afecte al funcionamiento del circuito.

Para conocer cuál es el ánodo y el cátodo en un led existen varios métodos:

- La pata más larga corresponde al ánodo (+) y la más corta al cátodo (-)

- La parte plana en el plástico que envuelve el led corresponde al cátodo (-)

- Si miramos el interior del led, la pieza más pequeña está conectada al ánodo (+) 

Y ya por último solamente queda hacer una advertencia. Cuando soldemos un led a un circuito o a una resistencia hay que hacerlo con la mayor rapidez posible pues el calor, aplicado durante un tiempo excesivo, puede dañarlos. Unos fabricantes de ledes suelen recomendar un tiempo menor a 3 segundos para una temperatura del soldador de 350 grados y otros un tiempo no mayor de 10 segundos a 220 grados.

miércoles, 21 de enero de 2015

ESTACION DE JACA

La estación de Jaca pertenece a la línea que une Zaragoza con Canfranc pasando por Huesca y está situada en el punto kilométrico 193,7 de dicha línea. Su altitud es de 827 metros respecto al nivel medio del mar en Alicante. Consta de un módulo central de tres puertas y dos alturas y dos módulos laterales de una altura con dos puertas cada uno.

Estación de Jaca en 2009    Foto: agracier

Esta estación, junto con el tramo desde Huesca hasta Jaca, fue inaugurada el 1 de junio de 1893. La posterior prolongación hasta Canfranc y Francia debió de esperar hasta el 18 de Julio de 1928 es decir, nada menos que  35 años.

Recortable original (versión 1).  Foto:  PHM
Por esta estación debieron de pasar los trenes cargados de wolframio que, via Canfranc, se enviaban a Alemania para alear el acero de sus carros de combate, así como los trenes cargados de lingotes de oro que venían como pago al anterior suministro. Leyenda o realidad, no lo sé, quizás solo sea una pequeña realidad aumentada hasta convertirla en una gran leyenda.

El recortable objeto de esta entrada ha sido publicado en el Blog de la AsociaciónCultural Mesaches de Zaragoza  con fecha 15 de noviembre de 2011. Se trata de un recortable sencillo, de tipo clásico con solapas y tintas planas pero realizado una gran frescura y con más que notable parecido con la realidad aunque le falte la marquesina que cubre el andén en la zona delantera del edificio. Este recortable, como otros muchos viene sin indicación de la escala a la que está dibujado pero eso no es un gran problema pues en los planos de la Sede Electrónca del Catastro  se pueden obtener las medidas en planta reales de la estación. De ahí a sacar la escala solo hay un pequeño paso.

Estación de Jaca en 1992   Foto Juan Manero
Una cosa que me llamó la atención fueron los colores, el dibujo de los Mesaches presenta un edificio de color blanco con esquinas y zócalos de color sonrosado cuando en las fotos de la estación es justo al contrario. Lo primero que pensé es que sería un capricho del artista pero hace muy pocos días encontré una foto de esta estación con los colores del recortable. La foto, en la que se ve la estación detrás de un gran olmo, la pongo para demostrar que el diseñador tenía razón y de que yo soy un hombre de poca fe.

Donde sí que aparecía un pequeño error era en las piezas de los tejados pues si uno intentaba armarlos se encontrará con que no forman un tejado con lados inclinados sino un plano. Les he puesto un correo hablando de este problema y ya lo han corregido.

Recortable (versión 2).  Foto:  PHM
Debido a este problema con el tejado y a la falta de escala me he tomado la libertad de redibujar el recortable en escala N y en dos versiones, la de los colores antiguos y la de los colores actuales. Para mi gusto quedaba más bonita en la versión antigua. 

Los recortables de la estación de Jaca con las modificaciones comentadas pueden ser descargados desde esta página. No obstante recomiendo muy encarecidamente la visita al Blog de la Asociación Cultural Mesaches pues contiene no solo el recortable de la estación de Jaca sino que también incluye, amén de otras cosas interesantes y curiosas, las estaciones o edificios listados a continuación:

Estaciones del Caminreal.  Dibujo:  Asoc. Cult. Mesaches
- Apeadero de Miraflores (Zaragoza)
- Borda pirenaica
- Vivienda unifamiliar
- Ermita de Barós
- Ermita de Osia
- Estación de Campo Sepulcro (Zaragoza)
- Estación de Borja
- Estación de Cella
- Estación de Calamocha
- Estación de Jaca
- Estación de Tordera
- Estación de Pineda