Hay varias cosas a tener en cuenta al momento de conectar leds correctamente y para tener la seguridad de estar excitándolos de manera apropiada sin correr riesgo de estar generándole estrés de funcionamiento y correr riesgo de que la vida del led sea disminuida de manera innecesaria.

En realidad, hay 1 solo parámetro que se debe cuidar (la corriente que se aplica al led), sin embargo, muchos otros parámetros aparecen al momento de querer tener control de ese único parámetro: la corriente.

Para no meternos en complicaciones en este explicativo, dejaremos el caso de excitar con pulsos de corriente al led, y tomaremos solamente el caso de que la excitación es una corriente contínua (es decir, un voltaje constante).

En primer lugar, el caso genérico y más simple es el siguiente:

$$\mathrm{i\_led}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{\mathrm{r\_led}}$$

Vamos a identificar a cada elemento que aparece en el gráfico, para que se comprenda en caso de que haya alguna duda:

• v_alim: voltaje DC de alimentación, usemos para este caso el voltaje de 12V.

• R: resistencia, es el elemento eléctrico que va a limitar la corriente del led, y con el valor que seleccionemos, vamos a determinar cuál es la corriente que va a circular a través del led, lo cual se va a traducir en la intensidad de luz con la cual el led va a encender. Para este ejemplo voy a seleccionar R = 1KΩ

• led: es el led propiamente dicho, dependiendo del color, del fabricante, de muchas otras cosas, va a tener características determinadas. Voy a usar un led de color rojo, con características especificadas en el siguiente link:

http://home.abebashop.com/files_web/files/LED_5MM_20D_ROJ.pdf

Paso en limpio las especificaciones que me interesan a fin de usarlos en este caso:

Continuous Forward Current (máxima) = 20mA

Forward Voltage (típica) = 2.1V

• v_led: es el voltaje de polarización de led, es el voltaje necesario sobrepasar para que el led encienda. Si aplicamos mediante v_alim un voltaje por debajo de ese v_led, el led no va a encender. Si aplicamos con v_alim un voltaje mayor a v_led, el led va a encender, y a medida que vamos subiendo v_alim, la corriente que circula a través del led (i_led) va a ir aumentando, pero v_led se va a quedar aproximadamente constante.

• i_led: la corriente que circula a través del led. En cualquier circunstancia podemos calcular la corriente que le circula al led usando la fórmula:

$$\mathrm{i\_led}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{\mathrm{r\_led}}$$

Segun los valores que habiamos seleccionado e indicado en los renglones anteriores, tenemos:

$$\mathrm{v\_alim}=\mathrm{12V}$$

$$\mathrm{v\_led}=\mathrm{2.1V}$$

$$\mathrm{r\_led}=\mathrm{1K\Omega }$$

Por lo tanto, el resultado de la corriente que estamos aplicando al led es:

$$\mathrm{i\_led}=\frac{\mathrm{12V}-\mathrm{2.1V}}{\mathrm{1K\Omega }}=\frac{\mathrm{9.9V}}{\mathrm{1K\Omega }}=\mathrm{9.9mA}$$

Tenemos que v_led = 2.1V (o sea, el voltaje con el que enciende cada led rojo de los que seleccionamos).

Cuántos leds podríamos encender utilizando la alimentación de 12V?

$$\mathrm{cant\_max\_leds}=\frac{\mathrm{v\_alim}}{\mathrm{v\_led}}=5.71$$

Puedo encender 5 leds, porque si usara 6 leds, entonces el voltaje requerido para encender los leds sería v_led * 6 = 12.6V → dado que 12.6V > (es mayor que) v_alim, entonces 6 leds no encenderían.

Pero si utilizo 5 leds, entonces:

En este caso, hay que modificar el valor de la resistencia y seleccionar un nuevo valor de corriente que querramos hacer circular al led. Usemos i_led = 10mA, que es un buen valor conservativo ya que es 0.5 * v_led_maximo, y le damos al led un margen de estar usandolo al 50% del valor de corriente máximo especificado por el fabricante.

El nuevo valor de resistencia se calcula despejando la resistencia de la ecuación:

$$\mathrm{i\_led}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{\mathrm{r\_led}}\to \mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{\mathrm{i\_led}}$$

$$\mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{12V}-\mathrm{2.1V}*5}{\mathrm{10mA}}$$

$$\mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{1.5V}}{\mathrm{10mA}}=\mathrm{150\Omega }$$

Por lo tanto, al cambiar la cantidad de leds en serie y usar 5 leds, si se quiere mantener aproximadamente la misma corriente se debe cambiar el valor de resistencia a 150Ω (recordar que en el caso de 1 solo led en serie con los 12V la corriente que resultaba eran 9.9mA, es decir casi 10mA y se usaba una resistencia de 1KΩ).

No necesariamente se tienen que usar 5 leds, sino que puede usar 2 leds en serie, o puede usar 3 o 4 también. Hasta 5 leds se pueden usar, pero 6 leds ya no se puede, como habíamos visto debido al voltaje mínimo necesario que suman todos los leds polarizados en directa, que en el caso de 6 o mas leds, superaría el voltaje de alimentación, por lo que no encenderían porque nunca se daría el caso de que un voltaje mayor a 12V aparezca sobre la tira de leds si es que estamos alimentándolos con v_alim = 12V. Sin embargo, podríamos encender la tira de 6 leds en serie si cambiamos la alimentación y en lugar de usar 12V utilizamos por ejemplo 15V. En ese caso, deberíamos volver a hacer todos los cálculos necesarios para obtener el valor de resistencia necesario que se debería utilizar con 15V y 6 leds en serie.

Ahora, si cambiamos el tipo de led, quizá por otro color, quizá por el mismo color pero otra marca (que quizá haya utilizado otra composición o dopaje de semiconductor para la pastilla del chip) entonces, en definitiva, si por alguna razón, el voltaje de polarización del led cambia, entonces va a cambiar la cantidad de leds que podríamos encadenar en serie.

Por ejemplo, si en lugar del led rojo anteriormente especificado, ahora utilizamos un led de color blanco cuyas especificaciones se encuentran en:

http://home.abebashop.com/files_web/files/LED_5MM_20D_BLA.pdf

Paso en limpio las especificaciones que me interesan a fin de usarlos en este caso:

Continuous Forward Current (máxima) = 20mA

Forward Voltage (típica) = 3.1V

Como vemos, cuando usamos el led anterior (el rojo) el voltaje de polarización era 2.1V, pero ahora que queremos usar este led de color blanco, el voltaje de polarización es de 3.1V

Cuántos leds podrán encenderse con los 12V ahora que cambiamos de led y queremos usar el led de color blanco de 3.1V?

$$\mathrm{cant\_max\_leds}=\frac{\mathrm{v\_alim}}{\mathrm{v\_led}}=\frac{\mathrm{12V}}{\mathrm{3.1V}}=3.87$$

Puedo encender 3 leds, porque si usara 4 leds, entonces el voltaje requerido para encender los leds sería v_led * 4 = 12.4V → dado que 12.4V > (es mayor que) v_alim, entonces 4 leds blancos no encenderían.

Para encender los 3 leds de color blanco, entonces:

El nuevo valor de resistencia se calcula (vuelvo a escribir la ecuación):

$$\mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{\mathrm{i\_led}}$$

$$\mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{12V}-\mathrm{3.1V}*3}{\mathrm{10mA}}$$

$$\mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{2.7V}}{\mathrm{10mA}}=\mathrm{270\Omega }$$

Entonces la Resistencia que en este caso deberíamos utilizar es de 270Ω

Si, se pueden usar también varios leds en paralelo y 1 sola resistencia que limite la corriente de todas ellas juntas. No es lo que yo recomiendo, y yo jamás lo hago en los diseños propios de cualquier elemento que utilice leds. Yo uso siempre tiras de leds en serie y cada tira de led en serie tiene 1 resistencia limitadora. Pero nuevamente indico: sí, se puede usar sin problemas, aunque esta configuración tiene mayor peligro de que ante la falla de 1 led, se desencadenen fallas sucesivas en los leds restantes dado que la corriente del led que deja de funcionar, se va a distribuir entre los restantes leds aún en funcionamiento. Este evento de falla genera condiciones de mayor calor en los restantes leds, y eventualmente mayor probabilidad de falla, por lo tanto, mayor riesgo para los demás leds, entonces, cuando se queme un 2do led, nuevamente la corriente se va a derivar a los leds que sigan funcionando, generando mayor exigencia a los leds restantes. Por lo tanto, se produce una especie de seguidilla de leds quemados y cada vez la situación va empeorando las condiciones de funcionamiento de los leds aún vivos.

Por otro lado, vale decir que la ventaja que tienen los leds en paralelo es que si se quema 1 led, el que se encuentra en paralelo sigue funcionando (en peores condiciones, pero sigue funcionando al fin). En cambio, en el caso de leds en serie, si se quema un led, ese led quemado interrumpe toda la tira de leds en serie y dejan todos juntos de encender.

Por otro lado, podríamos también nombrar entre las ventajas de usar leds en paralelo, el hecho de que el voltaje de polarización de los leds no es un limitante para la cantidad de leds que pueden colocarse en paralelo. O sea, se podría usar 1 sola resistencia para encender 10 leds en paralelo usando 12 volts, pero no podrían usarse 12V para encender esa misma cantidad de leds en serie, sino que deberían separarse en 3 o 4 tiras de menos cantidad de leds en serie y luego esas tiras colocadas en paralelo.

Si solo se usa 1 led para cada paralelo, entonces v_led = 2.1V (supongo que nuevamente uso el led color rojo cuyo Forward Voltage (típica) = 2.1V).

Si se quieren hacer circular 10mA por cada led, entonces i_res debe ser N veces i_led (la corriente que le circula a cada led individual). En este caso hay 4 leds en paralelo, por lo que N = 4.

$$\mathrm{i\_res}=4*\mathrm{i\_led}$$

Con esta configuración de circuito, se tiene que:

$$\mathrm{i\_res}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{\mathrm{r\_led}}\to 4*\mathrm{i\_led}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{\mathrm{r\_led}}$$

$$\to \mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{v\_alim}-\mathrm{v\_led}}{4*\mathrm{i\_led}}$$

$$\mathrm{r\_led}=\frac{\mathrm{12V}-\mathrm{2.1V}}{4*\mathrm{10mA}}=\mathrm{247.5\Omega }$$

→ Puedo usar 220Ω que es un valor estándar de resistencia cercano.

La respuesta correcta no es directamente "Sí" o "No" sino que depende de las condiciones en las que se lo conecte, entonces, me haría las siguientes preguntas:

Lo voy a alimentar con una pila tipo botón CR2032 (de 3V), entonces puedo conectar directamente el led sin resistencia? Si, podés, porque la pila ya tiene una resistencia interna que es una característica intrínseca de la celda galvánica. La resistencia interna no es de un valor fijo, depende de la química propia de la pila, de la intensidad de corriente que circula en determinado momento, de la temperatura de la propia celda, de la carga presente en la pila, y de otros factores. Por esas variaciones, es tambíen que la intensidad luminosa de un led encendido de esta manera va a sufrir modificaciones a lo largo del tiempo, es decir que a medida que la pila se va descargando, la resistencia interna aumentará, y en consecuencia menor corriente circulará a través del led y por ende su luminosidad decaerá a lo largo del tiempo.

Lo voy a alimentar con una pila de 1.5V, entonces puedo conectar directamente el led sin resistencia? Si, podés, pero el led no te va a encender (o te va a encender muy poquito) porque el voltaje necesario para encender por ejemplo un led rojo rondaba los 2.1V (ni hablemos de otro color que necesite mayor voltaje, como el blanco) por lo que si tu pila tiene 1.5V, no vas a alcanzar el potencial mínimo necesario para que el led comience a conducir una corriente apropiada para dar buena luminosidad. Quizás muestre una lucesita apenas perceptible, pero no es esa nuestra intención, sino que lo que uno querría es encenderlo completamente.

Entonces, en lugar de alimentarlo con una pila de 1.5V solamente, qué tal si lo alimento con 2 pilas alcalinas en serie de 1.5V cada una, lo cual forma una pila de 3V? Si estamos hablando de encender un led de 5mm, entonces dependiendo de la calidad del led, podrían ocurrir varias cosas: que encienda un rato y luego se deteriore perdiendo luminosidad (de todos modos ya queda arruinado, lo cual realmente no queríamos), o podría ser que si el led es muy malo, haga un flash de encendido y muera al segundo. Pero si por otro lado el led que estamos tratando de encender no fuera uno de 5mm sino un led de potencia, por ejemplo de 3W, entonces, en ese caso no habría inconveniente... en realidad, el inconveniente en el caso del led de 3W va a ser que la pila no va a durar demasiado tiempo ya que la descarga de la misma va a ser relativamente rapida.

Pero por qué con estas 2 pilas alcalinas en serie formando 3V no andaría el tema de conectar 1 led sin resistencia pero en el caso de usar una pila CR2032 que también tiene 3V lo puedo conectar sin inconveniente? Eso es porque la resistencia de la pila CR2032 es suficiente para limitar la corriente del led y que éste funcione con la corriente correcta (ojo, con leds de 2.1V estoy bien, pero con leds blancos de 3.1V no va a encender fuerte como queremos ya que no nos alcanza el voltaje). Por otro lado, las 2 pilas alcalinas en serie pueden llegar a tener una resistencia interna que ronda aproximadamente 1.5Ω cada una, y cuando las pongo en serie voy a tener una resistencia equivalente de 3Ω. Esta resistencia de 3Ω no alcanza a limitar la corriente a mi led rojo de 5mm, pero un led de potencia sí va a tener la corriente que necesita.

Puedo conectar un led sin resistencia pero no voy a usar pilas, sino que voy a usar una fuente de voltaje regulada del valor que yo elija: 2.1V o 3V u otro voltaje que yo elija? No, porque una fuente de voltaje regulada tiene una resistencia interna muy pequeña, por lo que el led va a terminar sufriendo stress por sobrecorriente y arruinandose.

Y si a esa fuente de voltaje ajustable le puedo hacer un ajuste fino para que al conectar directamente el led a la fuente la fuente regulada le entregue justo el voltaje que necesita el led para que le circule la corriente que yo quiero, sean por ejemplo 10mA? En ese caso no habría problema, pero se trata de un ajuste muy fino que uno debería hacer al voltaje, y tener una fuente bastante estable para que con condiciones externas no derive el voltaje de salida ni para arriba ni para abajo, y además, no creo que nadie use a un led de esa manera porque la sensibilidad de la luminosidad del led a los cambios de voltaje sería alta, y no le encuentro sentido, pero poder, se podría, aunque no tiene sentido mas que para fines de expetimentación, curiosidad o didácticos.

En definitiva, la conclusión es que cada caso debe ser analizado de manera particular en función de las condiciones de uso y características de los elementos a usar, no todas las fuentes de voltaje son iguales, no todos los leds son iguales, y no todas las configuraciones circuitales que podemos armar van a comportarse o responder de la misma manera.