CALCOLATORE RESISTENZE DI LIMITAZIONE LED

In questa pagina in realtà non si tratterà un vero "progetto", ma di un argomento che per quanto semplice a volte risulta non perfettamente compreso da chi per qualsiasi motivo si trova a dover impiegare uno o più LED di qualsiasi tipo. L'argomento è abbastanza interessante, in quanto i LED ricoprono i più svariati interessi: dall'elettronica (spie, indicatori, display...) ai PC. E soprattutto in quest'ultimo caso oltre ai "normalissimi" LED colorati (tipicamente rosso, verde, giallo) si assiste sempre di più all'uso di LED SPECIALI, tipo quelli ad alta luminosità, oppure con emissione UV (i "modders" ne sanno qualcosa!). Anche i diodi laser dei puntatori sono in qualche modo assimilabili a LED. Quindi un impiego decisamente vasto e un dispositivo ormai universale, tanto utile quanto semplice, flessibile e a volte... "scenografico"!

La cosa importante è che anche se si tratta di un componente come detto semplice, per sfruttarne le caratteristiche va adeguatamente alimentato. In generale (come per ogni altro componente) per ciascun LED esistono datasheet che ne indicano le caratteristiche in base al modello, al produttore e ai materiali impiegati per la sua costruzione. I dati elettrici più importanti di cui mi occuperò qui sono ovviamente la TENSIONE DI ALIMENTAZIONE e la CORRENTE necessari al LED per ottenere una luminosità (e una durata di vita!!) pari a quella dichiarata dal produttore. Sul datasheet poi vi sono sempre riportati altri dati a volte interessanti, come lo spettro di luce prodotta o l'angolo di irradiazione del LED. Ma queste sono variabili indipendenti dalla alimentazione elettrica e che quindi rappresentano solamente una scelta di chi lo deve impiegare.

Vediamo la forma del LED e un semplicissimo schemino di alimentazione:

In questo schemino la resistenza è indicata dal lato anodo (sul polo positivo). In realtà questa è la convenzione e l'uso normale, ma nulla vieta se necessario di porla sul lato catodo (polo negativo), senza alcuna variazione.

In linea di massima (tranne in pochissimi circuiti) si dispone di una tensione di alimentazione nettamente superiore a quella del LED (in genere 1.3-3 Vcc a seconda dei modelli). Collegando direttamente il LED si avrebbe perciò la sua distruzione istantanea o quasi a causa dell'eccesso di corrente che scorrerebbe nel circuitino di cui sopra. D'altro canto se la corrente che circola è troppo bassa (come dire che il LED viene alimentato con una tensione troppo bassa, visto che tensione e corrente sono unite nella Legge di Ohm...) si va dalla mancata accensione ad una luminosità più o meno ridotta rispetto alle possibilità del dispositivo.

Ora, se per usare un normale LED colorato come semplice spia si può andare quasi "a occhio" nel calcolo della resistenza di limitazione (che è appunto quella che provoca la giusta caduta di tensione ai capi del LED) rischiando al più di avere un po' meno luce, altrettanto non è consigliabile fare con i LED particolari, come appunto quelli ad alta luminosità o con gli UV. Sarebbe sciocco usare un LED molto luminoso (e costoso rispetto ai normali!) per poi sfruttare la metà della sua luce per aver messo una resistenza "a caso" nel circuito. Per non parlare della possibilità di bruciarlo al volo (o ridurre notevolmente la sua vita) per aver messo una resistenza troppo bassa! Per questi LED particolari in genere non è difficile trovare (dal rivenditore o su internet) un datasheet che ne riporti le caratteristiche di funzionamento. E se proprio non si dovessero trovare per quel modello si può sempre basarsi su dati di modelli analoghi per prestazioni e caratteristiche.
I dati che a noi interessano sono la TENSIONE DI ALIMENTAZIONE (Vd) e la CORRENTE (I) del LED di cui disponiamo. ATTENZIONE: in molti datasheet si trovano anche i valori di tensione e corrente MASSIMI!!! Sono quelli al limite della distruzione del semiconduttore!! Noi dobbiamo usare i valori che nei datasheet sono definiti "TIPICI"!!!
Il terzo e ultimo dato che ci occorre è ovviamente la TENSIONE DI CUI DISPONIAMO (Vs) e con cui intendiamo alimentare il LED.

N.B. ! IMPORTANTE: tutto ciò che viene detto e calcolato è riferito all'alimentazione di LED in CORRENTE CONTINUA (pile, batterie, alimentatori, PC). In corrente alternata (ex. quella di rete elettrica) occorre tener conto di altri parametri! Se avrò consensi (e tempo) vedrò di proporre anche l'alimentazione in alternata.

Passiamo al SEMPLICISSIMO calcoletto. La legge di Ohm dice che:

Resistenza (Ohm) = Tensione (Volt) / Corrente (Ampere)

La cosa da tenere presente è che molti sbagliano ad applicare la formula NON tenendo conto della caduta di tensione ai capi del LED! In altre parole impiegano la formula così com'è usando la tensione di alimentazione come "Tensione". In realtà quest'ultima nel nostro caso è data dalla DIFFERENZA tra la tensione di alimentazione (Vs) e quella del LED (Vd)!!! La cosa ha importanza soprattutto nel caso di tensioni di alimentazione "basse", o comunque non molto alte rispetto a quella del LED. Ovvio che se la nostra Vs è di 200 volts non cambia molto se sottraiamo o meno i 2 V del LED! Si possono trascurare. Ma se la nostra Vs è di 5 V trascurare i 2 V del LED porta a un risultato errato non di poco.
Basta provare: (supponiamo di avere un LED che richiede 15 mA di corrente, ossia 0,015A e 2 V di tensione)

Resistenza = (Vs - Vd) / I = (5 - 2) / 0.015 = 200 ohm Questa è la resistenza corretta da applicare. Se noi "trascuriamo" i 2V del LED abbiamo:
Resistenza = 5 / 0.015 = 333.3 ohm La differenza NON E' poca!!! Chi ha voglia si ripete i calcoli al contrario e si accorge che montare una resistenza da 333.3 ohm al posto di una da 200 porta ad alimentare il LED con una corrente di soli 9 mA contro i 15 mA richiesti!! Il che si traduce in un nettissimo calo di luminosità.

IMPORTANTE: Le resistenze commerciali hanno serie di valori "standard". Dal calcolo si ottiene il valore corretto, ma difficilmente esiste poi il valore giusto di resistenza da usare! Se il valore ottenuto non è standard E' NECESSARIO USARE IL VALORE STANDARD PIU' VICINO VERSO L'ALTO (ossia la resistenza commerciale di valore più vicino ma più elevato rispetto a quello calcolato). In questo modo si perderà un po' di luminosità rispetto al teorico, ma si avrà la certezza di non bruciare il LED. Se i valori commerciali sono troppo distanti dai valori teorici è sempre possibile ricorrere a serie di due o più resistenze standard in serie/parallelo per ottenere il miglior risultato. Oppure in casi limite è possibile utilizzare un trimmer resistivo (resistenza variabile e regolabile) da tarare sul valore voluto.

Le resistenze, oltre che dal valore in ohm, sono caratterizzate anche dalla potenza (in Watts) che possono dissipare (in genere si intende in aria libera). Si trovano resistenze da 1/8 di W (0,125 W), da 1/4, da 1/2, da 1W e poi a salire sino ai 50W. Per gli usi "normali" sui LED si usano in genere quelle da 1/4 o da 1/2 W, ma sarebbe importante (soprattutto se Vs è molto grande rispetto a Vd) verificare che la potenza sia sufficente. Vediamo il calcolo.

Watts (W) = Volts (V) x Corrente (A)

Come prima occorre tener conto della caduta di tensione del LED, quindi nel nostro caso la formula corretta da applicare sarà:

W = (Vs - Vd) x I

Nell'esempio di prima sarà perciò: W = (5 - 2) x 0.015 = 0.045 W
Una resistenza da 1/4 W (0.25 W) sarà perciò più che sufficente (abbondate SEMPRE sui watts! Una resistenza da 0.25 W che dissipa 0.20 W scalderà moltissimo!) .

Nel nostro esempio quindi per un LED che richiede 2V (Vd) con 15mA di corrente (I) e partendo da una tensione di alimentazione di 5V (Vs) dovremo utilizzare una resistenza di 220 Ohm (è il valore della serie E12 più vicino verso l'alto ai 200 ohm teorici calcolati) e da 1/4 W di potenza. (Con 220 ohm alimenteremo il LED a 13.7 mA al posto di 15. La differenza è accettabile. Se non lo fosse occorrerebbe come detto calcolare serie/parallelo di più resistenze, oppure passare a resistenze di precisione, o ancora utilizzare un trimmer ossia una resistenza variabile che potremo tarare con precisione al valore voluto).

Credo di essere stato abbastanza chiaro e forse anche troppo "prolisso" per un argomento così semplice. Ma l'uso di LED è un caso (sia in elettronica che in campo PC) molto frequente e saper fare questi semplici calcoletti è molto utile. Diventa determinante nel caso in cui si desideri impiegare LED "speciali", per i quali oltre a desiderare di sfruttarne a fondo le caratteristiche, è altrettanto importante evitare bruciature e inutili accorciamenti della vita del componente.

Eccovi un bell'esempio del circuitino "montato in aria" giusto per la prova di illuminazione di un LED bianco ad alta luminosità! La resistenza è da 1/2 W ed è stata calcolata come visto. La resa finale del LED (misurazioni alla mano) è assolutamente vicina alle caratteristiche date dal fabbricante. N.B. Notare la luminosità del LED nonostante la foto sia stata scattata in una giornata di sole!

Da ultimo (e certo di fare un favore a tutti coloro che non amano applicare formule sia pur semplicissime!) ho elaborato due semplici "calcolatori" in cui potrete inserire direttamente i dati e ottenere i risultati. Il primo viene impiegato esattamente nel caso visto, ossia il calcolo della resistenza e relativa potenza conoscendo i valori dei voltaggi e la corrente desiderata per il LED. Il secondo opera a rovescio, calcolando la corrente del LED e la potenza della resistenza dati i due voltaggi e il valore della resistenza di limitazione.
ULTIMA IMPORTANTE CONSIDERAZIONE: Se si desidera connettere PIU' LED in SERIE (è necessario che siano UGUALI, o che comunque abbiano le stesse caratteristiche!) sarà sufficente sommare i voltaggi dei singoli LED (ossia sommare i singoli Vd) e inserire il valore ottenuto al posto di Vd.
Eccovi i due calcolatori.... e BUON LAVORO!!!