Alimentando Corretamente seus LEDs (ART1437)

Se bem que tenhamos no site, e em muitas outras publicações nossas, artigos que ensinam, a calcular circuitos com LEDs, como ligá-los na rede de 110 V ou 220 V, ainda pairam muitas dúvidas de leitores que desejam montar suas próprias lâmpadas de LEDs, sistemas decorativos ou mesmo aproveitar LEDs tirados de aparelhos eletrônicos diversos.

Neste artigo, tendo em conta a utilização cada vez maior de lâmpadas de LEDs, da utilização de LEDs brancos de todos os tamanhos em iluminação, lanternas e efeitos, damos algumas informações muito importantes para nossos leitores.

É comum recebermos de nossos leitores pedidos de circuitos para alimentar um determinado número de LEDs a partir de uma fonte de tensão específica.

Também é comum que nos escrevam pedindo que enviemos um circuito de determinada tensão para alimentar um conjunto de LEDs, por exemplo, 190 V, porque esse conjunto de LEDs foi tirado de um circuito que utilizava esta tensão.

Na verdade, os LEDs são fontes de luz extremamente versáteis, bastando apenas que a corrente que circule através deles seja a especificada para a aplicação.

A tensão pode ser qualquer uma, desde que acima da tensão mínima que o conjunto precisa para funcionar e deve existir um circuito limitador de corrente ou uma fonte de corrente constante para esta finalidade.

Nos circuitos modernos de lâmpadas de LEDs e mesmo em aplicações em eletro-eletrônicos, a corrente dos conjuntos de LEDs é fornecida por um dos muitos circuitos integrados que existem para esta finalidade, mas para uma aplicação simples, podemos partir para outras soluções.

São estas soluções que nos permitem aproveitar LEDs retirados de outros aparelhos, LEDs brancos de alta potência que cada vez estão mais baratos e assim montar o nosso próprio sistema de iluminação.

Vejamos como isso pode ser feito, com uma explicação bastante didática de como proceder.

Que Tensão Usar?

Conforme citamos na introdução, muitos nos pedem fontes de tensões específicas para seus LEDs, porque nos circuitos originais eram alimentados por tais tensões.

Não é preciso ter a tensão original.

Quando ligamos LEDs em série, em cada LED temos uma queda de tensão que depende de sua cor. Veja a tabela abaixo.

Na tabela abaixo as cores com os comprimentos de onda correspondentes.

Esta cor depende do material dopante que afeta a barreira de potencial da junção responsável pela emissão de luz. Mais informações você pode obter no nosso artigo “De onde Vem a Cor dos LEDs” – ART809.

Veja que, para os LEDs brancos, como os usados em lâmpadas de LEDs, as tensões variam entre 3,3 e 3,6 V, podendo chegar a 3,8 V para alguns tipos.

Isso significa que, se tivermos uma sequência de n LEDs ligados em série, a tensão mínima que precisamos para alimentá-la será de n x 3,8 V. Por exemplo, se tivermos 10 LEDs, precisamos de pelo menos 38 V. Se tivermos 3 LEDs, a tensão mínima será de 11,4 V, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 – Queda de tensão numa sequência de LEDs

Poderemos então usar qualquer fonte que tenha mais do que isso, calculando então um circuito que terá por função produzir a corrente constante desejada com esta tensão.

Na forma mais simples, este circuito consiste num simples resistor redutor.

Como Calcular o Resistor Redutor?

O comportamento do LED é semelhante ao de um diodo. Quando o LED começa a conduzir, sua resistência cai de tal forma que, se não houver um resistor para limitar a corrente ela aumenta a ponto de causar sua queima.

As curvas características mostram esse aumento rápido da corrente com a tensão a partir do ponto de condução.

Isso significa que, nas aplicações práticas, é obrigatório ligar em série com um LED um resistor limitador, conforme mostra o circuito da figura 2.

Figura 2 – Redutor simples usando LED e alimentação de corrente contínua

O valor desse resistor dependerá da corrente que desejamos para o LED e da tensão disponível. O cálculo pode ser feito de maneira simples utilizando-se a seguinte fórmula:

R = (V – Vd)/I

Onde:

R e a resistência que deve ser ligada em série com o LED (Ω)

V é a tensão contínua de alimentação

Vd é a queda de tensão no LED dada pela tabela conforme a cor

I é a corrente no LED

A potência de dissipação do resistor será dada por:

P = R x I²

Onde:

P é a potência dissipada em watts

R é a resistência em série em Ω

I é a intensidade da corrente em ampères

Conforme podemos ver pelas curvas características da figura 3, a tensão de ruptura inversa de um LED é relativamente baixa, algo em torno de 5 V para os tipos comuns.

Figura 3 – Característica típica de um LED comum

Isso significa que devemos tomar cuidado para que mais de 5 V no sentido inverso não apareça sobre um LED quando o alimentamos com corrente alternada. Isso pode ser evitado com o uso de um diodo em paralelo, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 – D1 evita tensão inversa elevada no LED

Podemos alimentar diversos LEDs em série a partir de uma mesma fonte com apenas um resistor.

A quantidade máxima de LED depende apenas da tensão de entrada.

Por que ligar os LEDs em série e não em paralelo?

Não se recomenda ligar os LEDs em paralelo, mas sim em série conforme mostra a figura 5.

Figura 5 – Maneiras de se ligar LEDs numa alimentação única

Na ligação em paralelo, a corrente não se distribui igualmente entre os LEDs, pois eles sempre têm pequenas diferenças de características. Isso faz com que sempre um LED brilhe mais do que o outro.

 Na ligação em série, mesmo que existam diferenças entre as características dos LEDs usados, a corrente será a mesma em todos. Pequenas diferenças de brilho podem ocorrer pelo rendimento de cada LED.

 Os fabricantes procuram ter nos seus produtos especificações de brilho uniformes, justamente prevendo este tipo de aplicação.

 No entanto, na prática quando usamos LEDs comuns, as diferenças podem ocorrer, mas serão muito menores do que numa ligação em paralelo.

 Uma das maneiras de se alimentar diversos LEDs é com o circuito mostrado na figura 6 em que os alimentamos em série e com um resistor redutor.

 Conforme veremos mais adiante, a solução do resistor é a mais econômica, mas não é a ideal pois este componente dissipa calor e tem, por consequência, uma influência no rendimento.

Figura 6 – Circuito simples com resistor limitador e LEDs em série

O cálculo do resistor R, para ser ligado em série, será realizado com a utilização da seguinte fórmula:

R = (V – nVd)/I (Para V > nVd + 2 V)

Onde:

R é o valor do resistor em ohms (Ω)

V é a tensão de alimentação (V)

n é o número de LEDs ligados (n)

Vd é a queda de tensão em cada LED conforme tabela que damos anteriormente (em volts)

I é a intensidade da corrente que desejamos nos LEDs. (A)

Veja que nVd ou seja, a queda de tensão total nos LEDs deve ficar pelo menos 2 V abaixo da tensão de entrada.

Quando usar diversas sequências de LEDs em paralelo?

Se a tensão do conjunto de LEDs superar a tensão de alimentação disponível, devemos dividir os LEDs em diversas sequências, de modo que cada uma tenha uma tensão menor, que possa ser fornecida pelo circuito.

Por exemplo, se tivermos 40 LEDs brancos de 3,8 V, a tensão total de uma única sequência será de 152 V. Se a fonte de corrente continua disponível for, por exemplo, de 120 V, esses LEDs não poderão ser usados desta forma.

Devemos então fazer sua divisão em duas sequências de 20 LEDs, caso em que cada uma terá uma alimentação de 76 V, o que está abaixo dos 120 V disponíveis, conforme mostra a figura 7 e então usaremos um resistor para cada uma para fazer a redução.

Figura 7 – Dividindo os LEDs em duas sequências

Isso significa que mesmo tendo uma fonte de tensão relativamente baixa, podemos alimentar qualquer quantidade de LEDs se fizermos sua divisão em sequências com quantidades apropriadas.

É claro que a corrente total será a soma da corrente da corrente de cada sequência.

Que outras formas existem para se alimentar LEDs além do resistor em Série?

Uma forma bastante usada de se fazer a alimentação dos LEDs economicamente e até com bom rendimento é a que emprega um capacitor em circuitos de corrente alternada.

Aproveita-se a reatância capacitiva para limitar a corrente, com a vantagem de que, diferentemente do caso do resistor não temos dissipação apreciável de energia em forma de calor.

Em outras palavras, o rendimento deste tipo de circuito é muito maior.

Na figura 8 mostramos como fazer isso, usando um capacitor num circuito que permite alimentar LEDs diretamente a partir de uma fonte de corrente alternada de alta tensão.

Figura 8 – Usando um circuito reativo com alimentação de corrente alternada

Da mesma forma que nos circuitos de corrente contínua, a quantidade máxima de LEDs por sequência depende da queda de tensão.

No caso da corrente alternada, entretanto podemos trabalhar com o valor de pico, quando não há filtragem ou rms quando houver filtragem (capacitor depois do diodo).

O valor do capacitor é calculado em função de sua reatância capacitiva que deve ter um valor que determinará a corrente através dos LEDs.

Para o circuito dado como exemplo na figura 8 podemos usar de 3 a 20 LEDs na rede de 110 V ou 220 V, alterando apenas o capacitor.

Lembramos que este capacitor deve ser de poliéster com pelo menos 200 V de tensão de trabalho,no caso da rede de 110 Ve pelo menos 400 V, no caso da rede de 220 V.

No entanto, podemos fazer um cálculo mais preciso conforme explicamos próximo item:

O Divisor Capacitivo

Uma solução interessante para se abaixar a tensão da rede de energia (alternada) sem tantas perdas é com a utilização de um divisor capacitivo.

 O que se faz neste caso é aproveitar a Reatância Capacitiva de um capacitor que, conforme mostra a figura 9, depende da freqüência da tensão alternada aplicada.

Figura 9 – Reatância de um capacitor em função da frequência

 Como num capacitor, a impedância apresentada equivale a uma resistência pois a freqüência é fixa, e não temos praticamente dissipação de energia na forma de calor, um divisor que tenha um capacitor e uma carga, conforme mostra a figura 10 tem um rendimento muito maior.

Figura 10 – O divisor capacitivo

A tensão de entrada fica então dividida entre a carga e o capacitor, podendo ser calculada partindo-se da fórmula:

Z = V/I (1)

Onde:

Z é a impedância do circuito em Ω (?)

V é a tensão de entrada (V)

I é a corrente do circuito em ampères (A)

Ora, a reatância capacitiva do circuito será dada por:

Xc² = Z² - R² (2)

Onde:

Xc é a reatância capacitiva em ohms (Ω)

Z é a impedância do circuito emohms (Ω)

R é a resistência de carga emohms (Ω)

Em função de Xc é possível calcular o valor do capacitor a ser usado pela fórmula:

C = 1/(2 x ∏ x f x Xc) x 106 (3)

Onde:

C é a capacitância em microfarads (uF)

f é a freqüência da corrente que alimenta o circuito em hertz (Hz)

Xc é a reatância capacitiva em ohms (Ω)

Como aplicar isso para o caso de desejarmos alimentar LEDs?

O que fazemos é considerar uma série de LEDs como um dispositivo cuja tensão é dada pela soma de suas quedas de tensão e a corrente, a nominal da série.

Por exemplo, na série da figura 1, consideramos os 3 LEDs como um dispositivo único de 11,4 V e podemos dizer que uma corrente de alimentação seria 20 mA.

Como Calcular o capacitor?

Exemplo Prático

 Determinar o valor do capacitor que deve ser usado em série com 3 LEDs cuja queda de tensão apresentada é de 11,4 V, para que possamos alimentá-los diretamente a partir da rede de energia de 110 V, com uma corrente de 50 mA conforme mostra a figura 11.

Figura 11 – Circuito para o exemplo de cálculo

Nesse problema temos:

Vs = 12 V

V = 110 V

I = 0,05 A (50 mA)

f = 60 Hz

C = ? (desejamos calcular)

Começamos calculando o valor de R no circuito equivalente:

R = Vs/I = 12/0,05 = 250 Ω

A partir da fórmula (1) podemos calcular a impedância total do circuito Z:

Z = V/I = 110/0,05 = 2 200 Ω

A partir desses valores podemos calcular Xc usando a fórmula (2):

Obtemos então Xc = 2 150 Ω

Com este valor podemos calcular C usando a fórmula: (3)

C = 1/(2 x 3,14 x 60 x 2150) x 10-6

C = 1/805820 x 10^-6

C = 0,00000124 x 10^-6

C =1,24 x 10⁶ x 10^-6

C = 1,24 µF

Observe que a tensão de trabalho do capacitor usado, assim como o tipo, é importante neste projeto.

O capacitor deve ser de tipo especial para corrente alternada (poliéster) e sua tensão de trabalho deve ser maior do que o pico de tensão da rede de 110 V.

Considerando que o pico de tensão está em torno de 150 V, é conveniente usar um capacitor de 200 V ou mesmo mais.

Como usar uma fonte de corrente constante?

Se bem que exista uma ampla gama de novos circuitos integrados destinados especificamente a este tipo de aplicação, reguladores de tensão de 3 terminais da “velha guarda” como o LM317L podem ser utilizados sem deixar a dever nada em termos de desempenho.

Conforme podemos ver pelo diagrama da figura 12, o regulador de 3 terminais LM317L precisa “ver” uma tensão de 1,25 V entre sua saída e o terminal de ajuste para formar uma fonte de corrente constante.

Figura 12 – Os 1m²5 V são determinados pela referência interna do Lm³17.

Isso significa que, para termos uma fonte de corrente constante de determinada intensidade, por exemplo, basta dividir 1,25 pela resistência sensora Rs.

Is = 1,25/Rs

A alimentação de um conjunto de LEDs a partir deste circuito torna-se então muito simples, conforme podemos ver pelo circuito da figura 13.

Figura 13 – Alimentando um conjunto de LEDs com o Lm³17

Não é preciso usar resistor limitador de corrente, pois o próprio circuito integrado como fonte de corrente constante faz isso.

Apenas é preciso cuidar para que a tensão de entrada, menos os 1,25 V de queda no circuito regulador resultem numa tensão maior do que a exigida para acender os LEDs ligados em série.

Para um maior número de LEDs podemos associá-los em grupos conforme mostra a figura 14, e conforme já explicamos anteriormente.

Figura 14 - Sequências de LEDs em paralelo

Finalmente temos a versão sofisticada do circuito que garante que em cada ramo dos LEDs acionados tenhamos correntes iguais, caso em que três resistores sensores são utilizados.

A grande vantagem dessa configuração, mostrada na figura 15, é que se um LED de um dos ramos queimar, os LEDs dos outros ramos não serão afetados.

Figura 15 – Circuitos com controle de corrente em cada série

No circuito da figura 14, por exemplo, se um dos LEDs queimar, a soma das correntes nos outros ramos deve permanecer constante e eles receberão uma corrente maior.

Outros drivers

Mas, em nossos dias a preocupação com a eficiência e o custo das lâmpadas de LEDs tem feito com que os fabricantes criem soluções específicas que são circuitos integrados destinados à excitação de LEDs.

Combinando tecnologia PWM como MOSFETs de alto rendimento (baixa Rds(on), estes componentes ainda incorporam recursos importantes como a proteção contra LEDs abertos, curto circuitos e muito mais.

Trataremos destes circuitos em outro artigo.