Cómo elegir la resistencia correcta para cualquier circuito LED

Un LED rojo con especificaciones de 20 mA y 2,0 V de caída directa, conectado a un pin digital de Arduino de 5 V sin resistencia, absorbe más de 200 mA en los primeros milisegundos. La temperatura de la unión supera los 150 °C, el hilo de conexión se funde y el LED se apaga. Tiempo total desde el encendido hasta el fallo: menos de un segundo. La solución cuesta menos de un céntimo: una resistencia de 150 ohmios en serie.

La resistencia funciona absorbiendo la diferencia de tensión entre la fuente y la caída directa del LED, convirtiéndola en calor. La corriente que circula por el lazo queda determinada íntegramente por el valor de esa resistencia. Si se calcula bien, el LED opera sin sobrecalentamiento durante 50.000 horas. Si se calcula mal, toca sustituir componentes.

La fórmula

Todo cálculo de resistencia para LED se reduce a una línea de álgebra derivada de la ley de tensiones de Kirchhoff. La tensión de la fuente es igual a la suma de las caídas de tensión en el lazo:

V_s = V_f + V_R

La caída en la resistencia es I × R (ley de Ohm), por lo tanto:

R = (V_s − V_f) / I_f

Donde:

• V_s = tensión de la fuente (voltios)
• V_f = caída de tensión directa del LED (voltios, según la hoja de datos)
• I_f = corriente directa deseada del LED (amperios, según la hoja de datos)
• R = resistencia en ohmios

La resistencia disipa potencia en forma de calor:

P_R = (V_s − V_f) × I_f

Ambas fórmulas asumen corriente continua. Para regulación por PWM, la corriente de pico a través de la resistencia es el valor completo de I_f independientemente del ciclo de trabajo; no se debe dimensionar la resistencia en función de la corriente media.

Ejemplo práctico: LED indicador con Arduino

Se quiere conectar un LED rojo estándar de 5 mm a un pin digital de Arduino. La hoja de datos del LED indica V_f = 2,0 V, I_f = 20 mA. La salida digital de Arduino es de 5 V.

Paso 1. Calcular la resistencia.

R = (5,0 − 2,0) / 0,020 = 150 Ω

Paso 2. Calcular la disipación de potencia en la resistencia.

P = (5,0 − 2,0) × 0,020 = 0,060 W = 60 mW

Paso 3. Elegir un valor estándar y potencia nominal.

150 ohmios ya es un valor estándar de la serie E24/E12 (IEC 60063). Con 60 mW de disipación, una resistencia estándar de película de carbono de 1/4 W (250 mW) ofrece un margen de seguridad de 4:1. Listo.

Verifíquelo con la calculadora de resistencia para LED.

Ejemplo práctico: LED blanco en circuito automotriz de 12 V

Se desea instalar un LED blanco como luz de cortesía en un circuito automotriz de 12 V. La hoja de datos del LED indica V_f = 3,2 V, I_f = 20 mA. En la práctica, un sistema "de 12 V" con el alternador funcionando entrega aproximadamente 13,8 V, así que conviene usar 14 V como V_s para dimensionar en el peor caso.

R = (14,0 − 3,2) / 0,020 = 540 Ω
P = (14,0 − 3,2) × 0,020 = 0,216 W

El valor E24 inmediato superior a 540 es 560 ohmios. Con 560 ohmios, la corriente real baja a (14,0 − 3,2) / 560 = 19,3 mA, suficiente para un indicador luminoso. Disipación de potencia a esa corriente: 10,8 × 0,0193 = 0,208 W.

Una resistencia de 1/4 W (250 mW) trabajaría al 83 % de su capacidad nominal, lo cual es marginal. Es preferible usar una resistencia de 1/2 W para tener margen térmico, o calcular con la fuente de 14 V y aplicar un factor 2× sobre la potencia calculada: 0,216 × 2 = 0,432 W, lo que confirma la elección de 1/2 W.

Compruebe sus valores con la calculadora de resistencia para LED.

Cadenas de LED en serie

Cuando se conectan LED idénticos en serie, sus caídas de tensión directa se suman. Una sola resistencia limita la corriente de toda la cadena:

R = (V_s − n × V_f) / I_f

Donde n es el número de LED. La tensión de la fuente debe superar la caída total de los LED; de lo contrario, no circula corriente.

Ejemplo: Tres LED rojos (V_f = 2,0 V cada uno) alimentados a 12 V con 20 mA.

R = (12 − 3 × 2,0) / 0,020 = 6,0 / 0,020 = 300 Ω
P = 6,0 × 0,020 = 0,120 W

El valor E24 inmediato superior a 300 es 330 ohmios. Corriente real: 6,0 / 330 = 18,2 mA. Una resistencia estándar de 1/4 W maneja esta potencia sin problemas.

Las cadenas en serie son más eficientes que las resistencias individuales porque los LED consumen una mayor proporción de la tensión de la fuente. En este ejemplo, los tres LED usan 6,0 V y la resistencia quema 6,0 V. Compárese con tres LED independientes, cada uno con su propia resistencia sobre 12 V: cada resistencia quemaría 10,0 V, triplicando la pérdida total de calor.

Atención al margen disponible. Tres LED azules a 3,3 V cada uno necesitan 9,9 V solo para los LED. Una fuente de 12 V deja solo 2,1 V para la resistencia (R = 105 ohmios), lo cual es viable. Una pila de 9 V no puede alimentarlos porque 9,0 < 9,9.

LED en paralelo: una resistencia por rama

Nunca se debe compartir una sola resistencia entre LED conectados en paralelo. La razón es física, no convención.

La tensión directa varía entre LED incluso del mismo lote de fabricación, típicamente entre 0,1 y 0,2 V. Cuando dos LED comparten una resistencia en paralelo, el que tiene menor V_f conduce más corriente. Más corriente calienta la unión. Una unión más caliente reduce V_f aún más (aproximadamente 2 mV/°C en dispositivos típicos de InGaN y AlGaInP). Una V_f menor implica todavía más corriente. Esta retroalimentación positiva, conocida como avalancha térmica, destruye el LED.

La solución: cada LED en paralelo debe tener su propia resistencia. Cada resistencia limita independientemente la corriente de su rama sin importar las diferencias de V_f.

Ejemplo: Cuatro LED rojos en paralelo, cada uno con su propia resistencia, alimentados a 5 V con 20 mA cada uno.

Resistencia por rama: R = (5 − 2,0) / 0,020 = 150 ohmios, igual que en el caso de un solo LED. Corriente total de la fuente: 4 × 20 = 80 mA. Cuatro resistencias de 150 ohmios, cada una de 1/4 W.

Potencia nominal: la regla del 2×

Calcule P = (V_s − V_f) × I_f. Después, elija una resistencia con potencia nominal de al menos el doble de ese valor. Esta regla empírica de ingeniería proviene de los datos de fiabilidad de la norma IEC 60115: una resistencia que opera al 50 % de su potencia nominal se mantiene lo suficientemente fría como para que la deriva de su valor no supere el 1 % durante toda su vida útil.

Potencias nominales estándar para resistencias de orificio pasante:

Si la regla del 2× le sitúa entre valores estándar, redondee siempre hacia arriba. Una resistencia que trabaja caliente falla antes de tiempo y puede decolorar la PCB a su alrededor.

Qué usar cuando no se tiene hoja de datos

Rebuscar en una bolsa de LED de 5 mm sin marcar es habitual en proyectos de aficionados. Estos valores por defecto son puntos de partida conservadores:

Usar 10 mA en vez de 20 mA para LED desconocidos los hace funcionar ligeramente por debajo de su corriente nominal. Los LED modernos de alta eficiencia siguen siendo visiblemente brillantes a 10 mA, y la corriente menor proporciona margen térmico si la V_f resulta más alta de lo esperado.

Los valores de V_f anteriores son cifras aproximadas del rango medio publicadas por los fabricantes de LED. Los LED de color rojo a amarillo utilizan materiales semiconductores AlGaInP o GaAsP con bandas prohibidas más bajas; los LED azules, blancos y UV emplean InGaN con bandas prohibidas más altas, lo que explica que su tensión directa sea aproximadamente 1 V superior.

Cuándo usar un controlador de corriente constante

Una resistencia es la herramienta correcta para LED indicadores que funcionan a unos pocos miliamperios con una fuente estable. Deja de ser la herramienta adecuada en tres situaciones:

LED de alta potencia (350 mA en adelante). Un LED blanco de 1 W a 350 mA y 3,2 V alimentado a 12 V disipa (12 − 3,2) × 0,35 = 3,08 W solo en la resistencia. Eso es más potencia desperdiciada en la resistencia que la consumida por el LED. Un driver LED buck conmutado (LM3414, AL8860 o CAT4201) funciona con una eficiencia del 85-95 % y elimina el problema térmico. Los drivers lineales de corriente constante como el CAT4101 deben evitarse a relaciones de tensión altas; usan un transistor de paso en lugar de un inductor y su eficiencia es simplemente V_f / V_s (cerca del 27 % para un LED de 3,2 V en 12 V).

Tensión de alimentación fluctuante. En dispositivos alimentados por batería, la tensión cae a medida que la batería se descarga. Una pila de 9 V comienza a 9,5 V y termina en 6,0 V. Con una resistencia fija y un LED azul de 3,0 V, la corriente varía desde (9,5 − 3,0) / R hasta (6,0 − 3,0) / R, una variación de brillo de 2:1. Un controlador de corriente constante mantiene la corriente fija del LED independientemente de la tensión de entrada.

Producción en serie. La dispersión de V_f en un carrete de LED puede variar 0,2 V o más. En un proyecto de aficionado con cinco LED, la variación es imperceptible. En un producto que se fabrica en series de 10.000 unidades, la tolerancia de la resistencia sumada a la variación de V_f genera una dispersión de brillo apreciable. Un controlador de corriente constante elimina ambas variables.

Para LED indicadores individuales sobre un rail regulado de 3,3 V o 5 V, la resistencia sigue siendo la solución más sencilla, económica y fiable. La calculadora de resistencia para LED la dimensiona en segundos. Para cualquier circuito que consuma más de 100 mA, considere un circuito integrado controlador de LED específico.

Errores comunes

Olvidar la trayectoria de retorno. El factor 1 en la fórmula del LED individual (no 2, a diferencia de la caída de tensión en cableado) asume un único lazo en serie. El factor "2×" en las fórmulas de caída de tensión en cables contempla la corriente viajando por ida y vuelta a través de dos conductores. En un circuito LED, la resistencia y el LED están en el mismo lazo, por lo que no hay duplicación.

Dimensionar para la corriente media durante regulación PWM. Una señal PWM de 1 kHz al 10 % de ciclo de trabajo sobre un LED de 20 mA empuja 20 mA de pico a través de la resistencia durante cada pulso activo. La resistencia debe soportar la corriente de pico y la potencia instantánea, no la corriente media de 2 mA.

Alimentar LED desde red eléctrica AC con una resistencia. La tensión de pico de 120 V RMS es 170 V; para 230 V RMS es 325 V. Una simple resistencia necesitaría disipar varios vatios, y el LED recibiría tensión inversa en el semiciclo negativo que excede su valor de V_R (típicamente 5 V). Se debe usar un módulo controlador de LED para AC.

Conectar LED directamente a un GPIO sin verificar los límites de corriente de la fuente. Un pin digital de Arduino Uno puede suministrar un máximo de 40 mA (con un límite recomendado de 20 mA según la hoja de datos del ATmega328P). Un GPIO del ESP32 está limitado a 12 mA por pin. Siempre verifique la corriente máxima de salida del microcontrolador antes de conectar un LED, incluso con una resistencia adecuada.

Use la calculadora de ley de Ohm para verificar cualquier relación entre resistencia, corriente y tensión, y la calculadora de código de colores de resistores para comprobar las bandas del componente que saque del cajón.