Fabricados com a mesma finalidade das lâmpadas comuns, os LEDs apresentam diversas vantagens sobre elas como, por exemplo, a maior robustez, maior durabilidade e finalmente um maior rendimento na conversão de energia. No entanto, os LEDs por operarem segundo um princípio completamente diferente das lâmpadas comuns não podem ser usados do mesmo modo, o que significa que não basta fazer sua conexão direta num circuito. Visando fornecer elementos para os que pretendem usar LEDs em suas aplicações práticas sem o perigo de queimá-los fornecemos este artigo com muitas ”dicas” e circuitos práticos.
A principal aplicação prática do LED é como lâmpada, ou seja, como um dispositivo que deve converter uma certa quantidade de energia elétrica em luz, para indicar o funcionamento de um aparelho; com finalidade decorativa,- ou ainda com efeitos recreativos, acompanhando as variações de uma música, etc.
No entanto, mesmo funcionando como uma lâmpada, um LED ao ser ligado num circuito não deve ser considerado como tal.
Diferentemente de uma lâmpada comum que representa num circuito uma resistência ôhmica quase pura, os LEDs se comportam como diodos semicondutores, componentes que realmente são.
Isso quer dizer que mesmo que a finalidade destes componentes seja basicamente a mesma: produzir luz, a maneira como o LED faz isso é completamente diferente da maneira que a lâmpada o faz.
Este fato deve ser levado em conta na hora que pretendermos ligar um LED para “produzir" luz, já que o mesmo tem um comportamento elétrico todo especial.
O desconhecimento destas características especiais do LED tem feito com que muitos tentem fazer ligações “à sua moda" em saídas de som, pilhas, transformadores e até na rede de alimentação com resultados desastrosos.
Quantos já não queimaram seus LEDs simplesmente por tentarem testá-los de modo incorreto ligando-os em pilhas, baterias, etc. Quantos já não queimaram LEDs tentando ligá-los na saída de seus amplificadores para que eles piscassem no ritmo da música?
Os LEDs são componentes robustos, já dissemos, mas pelo seu comportamento elétrico, uma ligação errada, por “pequena que seja” pode causar a sua queima instantaneamente. (figura 1)
Começamos então nossas explicações com uma breve análise do princípio de funcionamento do LED:
O QUE É UM LED
Os LEDs ou do inglês “líght emitting diode" ou ainda em português, diodos emissores de luz, são diodos comuns feitos de materiais semicondutores especiais que ao serem percorridos no sentido de polarização direta por uma corrente emitem luz de determinada frequência ou cor.
Na verdade qualquer diodo comum de silício ao ser percorrido por uma corrente emite luz por sua junção. Ocorre, porém que, para estes diodos a luz emitida é do tipo infravermelho não sendo, portanto, visível. (figura 2)
Com a utilização de materiais semicondutores especiais como o arseneto de gálio ou o arseneto de gálio-índio (GaAs ou GaAsl) pode-se fazer com que a luz emitida caía no espectro visível, sendo o tipo mais comum o que emite luz vermelha.
Diodos emissores de luz com comprimentos de onda correspondentes ao amarelo e verde podem ser encontrados em nosso mercado mas, pela dificuldade maior existente para sua fabricação, estes normalmente são bem mais caros que os LEDs vermelhos (Na época em que o artigo foi escrito.).
Na figura 3 temos os aspectos mais comuns dos LEDs, com o seu símbolo que, conforme o leitor pode perceber é exatamente o de um diodo com a diferença que se indica que o dispositivo pode emitir luz.
E quais são as características elétricas de tal dispositivo?
Os LEDs tem um comportamento elétrico semelhante ao de um diodo comum:
A primeira característica importante dos LEDs está no fato dos mesmos conduzirem a corrente num único sentido, conforme pode ser verificado pela sua curva característica mostrada na figura 4.
Assim, somente quando a tensão que o polariza no sentido direto atinge certo valor é que o LED começa a conduzir a corrente e portanto acende. Para os LEDs comuns esta tensão está entre 1,8 e 2,1V o que significa que, com tensões menores não se consegue fazer o LED acender mesmo polarizando-os diretamente.
Este fato leva muitos a pensar que LEDs podem ser alimentados por uma única pilha e existem mesmo os que fazem a prova de LEDs ligando-os a uma pilha.
Os 1,5 V de uma pilha são insuficientes para fazer circular de modo apreciável uma corrente no sentido direto que faça um LED acender.
A segunda característica que deve ser levada em conta é que os LEDs como os diodos comuns não apresentam uma resistência fixa à circulação de corrente.
Quando polarizados no sentido direto os LEDs apresentam uma resistência muito baixa de modo que não existe então limitação alguma para a intensidade da corrente circulante.
Se não houver uma limitação para esta corrente, superados os 1,78 V que ele precisa para acender, a corrente pode facilmente ultrapassar o valor máximo suportado e o componente queimará.
Na prática, portanto, sempre que alimentados por tensão superior ao mínimo que precisam para conduzir, o que ocorre sempre, os LEDs precisam de limitadores de corrente, normalmente resistores ligados em série, conforme mostra a figura 5.
O valor deste resistor é calculado de modo que, considerada a queda de tensão no LED, e a tensão de alimentação tenhamos circulando no circuito a corrente desejada.
Os LEDs comuns tem uma corrente máxima de operação em torno de 50 mA se bem que existam tipos para correntes maiores. Veja então que, com uma queda de tensão de aproximadamente 2 V levando-se em conta a corrente de 0,05 A,temos a potência do LED que é de 100 mW.
Na figura 6 temos um exemplo de como calcular a resistência que deve ser ligada em série com um LED num circuito de corrente contínua.
Supondo que o LED seja de 50 mA podemos inicialmente calcular a resistência que ele representa no circuito , utilizando como valor aproximado a queda de tensão de 2 V que ele provoca.
Temos então pela Lei de Ohm:
R= V/I
Onde: R é a resistência que o LED representa
Ie a corrente que queremos que circule no LED
V é a queda de tensão no LED
No nosso caso:
R = 2/0,05
R = 40 ohms
A seguir, calculamos a resistência total que deve ter o circuito do LED com o resistor para fazer circular a corrente desejada com a tensão da fonte. Usamos também neste caso a lei de Ohm:
R = V/I
Onde: R é a resistência total do circuito
V é a tensão da fonte
I é a corrente total no circuito
No nosso caso supondo que a tensão de alimentação seja de 12 V temos:
R = 12/0,05
R = 240 ohms
Ora, se a resistência do LED no circuito já representa 40 ohms, podemos “descontar" este valor para obter o valor da resistência que deve ser Iigada em série no circuito:
Rx = 240 - 40
Rx = 200 ohms
Na prática devemos colocar uma resistência um pouco maior para evitar que o LED funcione no limite de sua capacidade.
Optamos por um resistor de 220 ohms então.
A dissipação deste resistor pode ser prevista facilmente com a ajuda da fórmula:
P = R x l2
Onde: P é a potência desenvolvida no resistor
R é a resistência desse resistor
I é a corrente circulante por ele
No nosso caso temos:
220 x (0,05)2
220 x 0,0025
0,55 W
É claro que, para não fazer o resistor trabalhar em seu limite, damos uma tolerância de pelo menos 100% o que nos leva a utilizar um resistor de 1 W.
Como fórmula geral para a determinação da resistência que deve ser ligada em série a um LED numa fonte de corrente contínua, podemos dar a seguinte (aproximamos a queda de tensão no LED para 2 V):
R = (V – 2)/I
Onde: R é a resistência que deve ser ligada em série (ohms)
V é a tensão da fonte em volts
I é a corrente no LED em ampères
O terceiro fato importante que deve ser levado em conta refere-se ao limite de tensão que pode ser aplicada no sentido inverso num LED.
Enquanto que os diodos comuns podem suportar tensões relativamente altas no sentido inverso, da ordem de dezenas ou centenas de volts, os LEDs não.
Com alguns volts no sentido inverso os LEDs chegam ao seu ponto zener e passam a conduzir a corrente. No entanto, esta condução é desastrosa para o LED, pois ocorre sua queima imediata.
Este fato deve ser levado em conta quando usamos um LED num circuito de corrente alternada.
Na figura 7 temos um exemplo de ligação que não pode ser feita. Quando o LED é polarizado no sentido direto, nos semiciclos positivos da alimentação, tudo bem, a corrente flui normalmente e ele acende.
Mas nos semiciclos que polarizam-no no sentido inverso, como ele apresenta nestas condições uma elevada resistência, o resistor em série não consegue fazer a redução de tensão e toda a tensão da alimentação aparece sobre o LED.
O resultado é que ele não pode suportar esta tensão inversa queimando-se.
Para evitar-se que o LED receba uma tensão no sentido inverso maior do que a que pode suportar tem-se duas soluções:
A primeira consiste em se ligar em paralelo com o LED, conforme mostra a figura 8 um diodo de modo que este possa conduzir a corrente quando o LED for polarizado no sentido inverso funcionando, portanto, como um curto-circuito.
A segunda mostrada na figura 9 consiste em se alimentar todo o circuito com corrente contínua fazendo sua retificação logo após o transformador.
Num circuito deste tipo, ao se calcular o valor do resistor que deve ser ligado em série com o LED deve-se ter em conta que apenas metade dos semiciclos da corrente circulam pelo LED.
Assim, para uma corrente rms de 50 mA circulante pelo LED, temos uma corrente de 50 mA circulando em sentido inverso pelo diodo em paralelo e uma corrente total de 100 mA circulando pelo resistor limitador.
Na figura 10 mostramos estas correntes com valores de componentes para uma tensão de alimentação de 12 volts.
Veja o leitor no entanto que enquanto que no sentido direto, a queda de tensão no LED é da ordem de 2 V;no sentido inverso, a queda de tensão o diodo é bem menor, normalmente em torno de 0,7 V se o mesmo for de silício.
Assim, na realidade, nos picos inversos a corrente é realmente um pouco maior que 50 mA. Este fato deve ser levado em conta ao se prever a dissipação do resistor numa alimentação de tensão elevada e com a ligação de vários LEDs.
Veremos isso a seguir.
Respeitadas as limitações de corrente com a utilização de um resistor de valor apropriado, e respeitada a tensão máxima que pode ser aplicada no sentido inverso um LED pode ser alimentado diretamente pela rede local de corrente alternada de 110 ou 220 V.
Na verdade, diversos LEDs podem ser ligados em série tanto nos circuitos de corrente contínua como alternada e alimentados simultaneamente tendo o mesmo resistor limitador de corrente.
Na figura 11 temos então um circuito em que três LED são ligados em série e alimentados por uma fonte de 12 V.
Veja que neste caso deve ser previsto no cálculo do resistor limitador que 3 LEDs em série provocam uma queda de tensão de 6 V o que significa que o resistor deve reduzir apenas de 12 para 6 V.
Uma fórmula geral para diversos LEDs em série pode ser estabelecida para o cálculo do resistor limitador:
R = V - 2n
Onde: R é a resistência em série (ohms)
V é a tensão de alimentação do circuito (volts)
n é o número de LEDs ligados em série
I é a corrente circulante em cada LED
Num circuito de corrente alternada com diversos LEDs ligados em série, conforme mostra a figura 12, deve-se prever que no caso dos semiciclos negativos conduzidos pelo diodo ligado em paralelo, a corrente é muito mais intensa.
Veja, por exemplo, que se tivermos uma alimentação alternada de 12 V para 3 LEDs ligados em série, a corrente que fluí pelo diodo é de 100 mA quando os LEDs são percorridos por 50 mA.
Este fato influí na determinação da potência que deve dissipar o resistor neste circuito.
Temos finalmente os LEDs alimentados pelos circuitos de alta tensão.
Na figura 13 temos um circuito em que 10 LEDs são ligados em série e na rede de 110 V sendo usados para decorar uma árvore de natal.
O díodo ligado em paralelo com os LEDs serve para evitar que os mesmos sejam polarizados inversamente com uma tensão maior do que podem suportar, enquanto que o resistor serve como limitador de corrente.
Se quisermos determinar a resistência que deve ter este resistor podemos usar a seguinte fórmula, já vista, mas lembrando que devemos reduzir à metade a resistência encontrada, pois sendo a alimentação alternada temos apenas metade dos semiciclos conduzidos:
R = (V - 2n)/I
R = (110 – 20)/ 0,02
R = 90/0,02
R = 4 500 ohms
Como o valor considerado deve ser metade temos: 2 250 ohms.
O valor comercial mais próximo será então 2 200 ohms.
A dissipação deste resistor deve ser considerada do seguinte modo:
Nos semiciclos positivos circula uma corrente de 0,04 A enquanto que nos semiciclos negativos a corrente circulante é de 0,05 A. Podemos então considerar o valor médio de 0,045 A e a partir dele determinar a dissipação pela fórmula:
P = R x I2
P = 2 200 x (0,045)2
P = 4,45 W
Um resistor de 10 W funcionará perfeitamente neste caso.
Veja o leitor que à medida que maior número de LEDs é utilizado maior torna-se a diferença entre a corrente que circula no sentido direto e no sentido inverso pelo circuito, ou seja, maior a diferença entre a corrente circulante pelos LEDs e pelos diodos.
Este fato limita a quantidade de LEDs que podem ser usados num circuito já que a corrente inversa não deve superar a capacidade do diodo e também não deve implicar no uso de um resistor tão pequeno que sua dissipação de potência seja elevada, o que evidentemente causaria um gasto excessivo de energia elétrica.
Para a rede de 110 V recomendamos que o número máximo de LEDs usados por série não supere a 30 e na rede de 220 V não passe de 60.
