Dicas do Zébio

Atualmente, os LEDs (Light-Emitting Diodes, ou Diodos Emissores de Luz), especialmente os de cor branca, estão ganhando terreno muito rápido, em função da praticidade de uso e da economia de energia. Após revolucionarem a área de sinalização, começam a entrar no ramo da iluminação.

O preço dos LEDs brancos tem caído continuamente, possibilitando a utilização para decoração de ambientes e produção de vários itens de consumo, como lâmpadas, abajures, lanternas e luzes de emergência. Também podem ser encontrados painéis e tiras de LED, adaptáveis aos mais diversos usos. E estamos apenas no começo desta nova era tecnológica, pois já estão comercialmente disponíveis LEDs para corrente alternada (Cree, Luxeon, Samsung, etc.) e painéis OLED (Organic LED, da Verbatim).

Por ser uma tecnologia recente, turbinada pela ânsia dos fabricantes em definir a sua fatia no mercado, assistimos a uma inundação de produtos de baixa durabilidade – para dizer o mínimo. Para reduzir o preço dos equipamentos que utilizam LEDs brancos, o seu acionamento é simplificado ao extremo.

Por isso, os equipamentos de LEDs mais baratos tem sérios problemas, pois tendem a queimar com pouco tempo de uso. Neste artigo, abordo como os LEDs brancos são fabricados e quais os requisitos necessários para energizá-los com segurança, utilizando como exemplo uma luminária de mesa.

O LED branco, um diodo

Todo LED é um diodo, com a característica adicional de emitir luz. Na figura 1, são mostrados o diodo e o LED. Como se vê, na simbologia eles são muito parecidos. No comportamento, também possuem diversas semelhanças.

Internamente, os diodos são formados por uma junção semicondutora de silício PN. Para conhecer com mais detalhes os diodos semicondutores, consulte o Instituto Universitário de Lisboa [1] e a Universidade de Brasília [2].

Quando a junção está polarizada diretamente, o diodo conduz. Isto ocorre quando o ânodo é ligado ao positivo e o cátodo ligado ao negativo da fonte de energia.

A junção permite a passagem da corrente apenas em uma direção, da mesma forma que uma válvula retentora em instalações de água. A junção semicondutora, quando polarizada diretamente, não começa a conduzir de imediato. Para que isto ocorra, é necessário ultrapassar a barreira de potencial. Esta barreira é a tensão mínima para o dispositivo iniciar a condução. No caso dos LEDs, para fazê-los emitir luz.

A barreira de potencial é chamada também de queda de tensão, pois é justamente isto o que ela faz. Se ligarmos dois diodos em série, por exemplo, a tensão necessária para que eles comecem a conduzir será a soma das barreiras de potencial de cada um.

O valor desta queda de tensão varia conforme o tipo de semicondutor. Diodos comuns de silício, conduzem a partir de 0,5V. Diodos Schottky, utilizados em fontes de PC, por exemplo, tem uma queda de tensão que pode começar em 0,13V, nos componentes de maior potência.

Já os LEDs, apresentam barreiras de potencial variadas, que começam em 1,5V para o LED infravermelho e vão até 3,8V, para o LED ultravioleta, conforme a LED Color Chart, da OKsolar [3]. Na Wikipedia [4], há outra tabela, que mostra as tolerâncias destes valores para cada cor.

Mais precisamente, o sítio de modelismo Trainweb [5] destaca uma característica comum a todos os diodos e muito importante para o acionamento dos LEDs: a queda de tensão é dependente da corrente que percorre o componente. No caso do LED branco, a queda de tensão começa em 2,5V (com corrente menor que 1mA) e vai até 3,7V, com 20mA de consumo.

A figura 2 mostra a curva de tensão/corrente de um LED branco hipotético, baseado nestas informações. No eixo horizontal, está a tensão (v) sobre os terminais do diodo. No eixo vertical, é informada a corrente (i) que passa pelo componente.

Os LEDs iluminam quando estão trabalhando dentro da região de polarização direta, mais especificamente na faixa de tensões de 2,5 a 3,7V. É a parte da curva que se assemelha a um joelho.

Por causa da elevada queda de tensão, os LEDs brancos não conseguem ser avaliados como diodos pelos multímetros digitais comuns. Na escala de continuidade, que costuma ser também para diodo, o multímetro fornece uma pequena corrente para a medição.

O que o multímetro mede, na escala de diodos, é o tamanho da barreira de potencial da junção semicondutora do componente. Ou seja, a sua queda de tensão, relativa à corrente fornecida pelo instrumento.

E a escala de diodos costuma alcançar até 2V. Como os LEDs brancos apresentam uma queda de tensão acima de 2,5V, o multímetro indicará overflow (circuito aberto), apesar de conseguir iluminar fracamente o LED.

A polarização reversa e a disrupção

O gráfico da figura 2 está dividido em 3 áreas: a região de polarização direta (comentada acima), a região de polarização reversa e a região de ruptura. Cada uma destas partes tem características particulares e fornece informações preciosas para entendermos os diodos.

A região de polarização reversa é aquela formada quando a junção semicondutora do LED está inversamente polarizada (é o componente ligado errado, situação em que ele não funciona). A junção apresenta o mesmo comportamento da polarização direta, com a diferença que a barreira de potencial reversa é maior.

No caso dos LEDs brancos, a barreira de potencial reversa (ou tensão reversa admissível) situa-se geralmente entre -5 e -6V.

Diodos comuns tem esta barreira de potencial muitíssimo maior: o diodo 1N4007, por exemplo, pode receber até 1000V de tensão reversa, sem qualquer dano. Para ele, o gráfico equivalente à região de polarização reversa, com aquela escala, não caberia na página…

Como curiosidade, há componentes que tiram proveito da região de ruptura, como os diodos zener e os fotodiodos. Para conhecer em detalhes estes e outros diodos, consultar as referências [1] e [2].

A corrente de fuga

Nota-se, na figura 2, que dentro da região de polarização reversa, há uma pequena corrente de fuga, que aumenta lentamente com a elevação da tensão negativa. Após ultrapassada esta região, ocorre a disrupção, com a consequente corrente de avalanche, que pode queimar o componente.

Com LEDs brancos, isto é muito fácil de acontecer, pois o ponto de disrupção é somente a -5 ou -6V. Se o LED não tiver o diodo ESD (comentado mais adiante), a tensão reversa será para ele uma séria ameaça.

A razão é que, quando aplicada tensão invertida no chip, começa a ocorrer a migração dos portadores minoritários. Quando um diodo é polarizado inversamente, a camada P fica ligada ao negativo. Ela tem os portadores minoritários de carga, que são atraídos para o pólo positivo (que neste caso está ligado à camada N). Isto resulta em uma corrente de fuga, que é incrementada pelas lacunas da camada N, atraídas para o lado negativo. A migração tende a aumentar a corrente de fuga e diminui o desempenho do LED, podendo inutilizá-lo.

Os fabricantes recomendam literalmente que sejam tomados todos os cuidados necessários no projeto dos circuitos de acionamento, para que os LEDs nunca recebam tensão reversa. Tudo para evitar uma falha prematura destes componentes e deixá-los longe da corrente de avalanche.

Olhando o LED bem de perto

Uma coisa que chama a atenção, quando olhamos detalhadamente os LEDs brancos, é que, internamente, eles não são conectados como os LEDs vermelhos. Há um fio de ouro a mais na pastilha de silício, que é ligado ao negativo. Na figura 3, pode-se ver um LED RGB, onde a cor verde está à esquerda, a vermelha no centro, e a azul à direita. Percebe-se a semelhança das ligações dos LEDs verdes e azuis, que tem dois fios cada um. A pastilha mais escura, a vermelha, somente tem um fio de ligação.

Um LED branco, bem de perto, aparece na figura 4, ao passo que na figura 5 temos um led vermelho. A diferença entre as ligações é evidente.

Uma patente da Matsushita, que mostra como fazer um led azul emitir outras cores, com a aplicação de uma camada fluorescente, tem a forma de ligação muito semelhante à utilizada atualmente na montagem dos LEDs brancos(figura 6).

Na figura 7, tem um desenho do modelo de pastilha de silício utilizada para fazer o LED branco, proveniente do blog coreano Polytech Lab [7]. A razão de existirem duas ligações no chip é que o substrato (camada de base) mostrado no modelo é óxido de alumínio (Al2O2). Que é, em princípio, um isolante. Já existem tecnologias, em uso nos LEDs mais sofisticados, que fazem as conexões por debaixo da pastilha.

O processo de fabricação do LED branco

Sabia que os LEDs brancos são, na verdade, azuis? Pois é….

Atualmente, há 3 modos de construir um LED branco, segundo a Rohm [8]. Na figura 8a, está o primeiro: são montadas 3 pastilhas (chips) no mesmo invólucro, cada uma emitindo uma cor. As cores seguem o padrão RGB (Red, Green e Blue, ou vermelho, verde e azul) dos televisores e monitores. Quando os 3 chips são ligados simultaneamente, a luz resultante é branca.

Para exemplificar, temos um LED RGB, com encapsulamento SMD, modelo 5050, soldado em uma fita de circuito impresso flexível, cuja camada de silicone transparente foi retirada, para dar mais clareza às fotos. Na figura 9, ele aparece desligado, onde é possível ver os 3 chips, correspondentes às cores. Ao lado, na mesma figura, aparece o LED completamente ligado, formando a luz branca.

A figura 10 exibe as pastilhas do invólucro, levemente excitadas, uma de cada vez. Neste caso, como cada LED dentro do encapsulamento pode ser acionado separadamente, o componente tem a capacidade de emitir diversas cores. É só dosar a corrente para cada uma das 3 pastilhas (cores). Comercialmente, há circuitos, chamados controladores RGB, que fazem esta dosagem de corrente e permitem ao usuário escolher a cor desejada. Inclusive, alguns tem controle remoto.

O segundo método de construção (figura 8b), utiliza um LED que emite luz no ultravioleta próximo e excita os pigmentos de fósforo depositados logo acima. Cada pigmento responde por uma das três cores RGB. Não foi possível conseguir um LED deste tipo para mostrar de exemplo.

O terceiro método (figura 8c) é o mais utilizado atualmente (em 2013). É aplicada uma camada fluorescente amarela, que quando combinada com o LED azul, emite a luz branca. Para melhorar a reprodução das cores, são adicionados outros pigmentos que corrigem a temperatura de cor.

Na figura 11, aparecem 2 LEDs de potência, montados em dissipador estrela. O da esquerda emite luz branca quente (3000 a 4000 K) e o outro, luz branca fria (6000 a 7000 K). Pode-se notar a pequena diferença de tonalidade da camada fluorescente.

A camada de fluorescência amarela pode ser aplicada de duas formas. Uma delas é mostrada na figura 12a: os pigmentos são misturados à resina de encapsulamento do LED. Revendo a figura 11, percebe-se que aqueles LEDs foram montados com este método.

Na figura 12b, aparece a outra forma de aplicar a camada fluorescente: diretamente sobre a pastilha de silício. A figura 13 exibe a utilização deste processo de fabricação, em um LED da Osram, da linha Golden Dragon Plus [9].

O espectro de emissão

Diante de tantos métodos para melhorar a reprodução de cores e tentar aproximar-se do índice conseguido pelas incandescentes, ocorreram diversos progressos, nos últimos anos. Mas ainda temos muito de ilusão de ótica, pois o que parece branco é apenas uma mistura bem equilibrada de poucas cores individuais. Há vários tons que simplesmente não são emitidos. Como exemplo, a figura 14 mostra um espectrograma de emissão de um LED RGB, proveniente da Photal [10]. Aquela mistura de apenas 3 cores faz enxergarmos o branco. Mas todos os outros tons tem emissões mais fracas ou até nulas.

É isto que afeta o índice de reprodução de cores (IRC ou CRI = Color Reproduction Index), que nas lâmpadas incandescentes pode chegar a 100%. Em 2013, os LEDs brancos mais baratos alcançam, com muito custo, um IRC próximo de 80. Mas já há fabricantes vendendo LEDs brancos com IRC’s maiores que 90, só que ainda são caros.

Para entender melhor o espectro eletromagnético, e dentro dele, a parte que cabe à luz visível, extraímos da página do Centro de Ciências da Educação (CED) da UFSC [14], a figura 15. Nela, pode-se ver o espectro de luz visível, com as cores e respectivos comprimentos de onda. A luz visível corresponde, em média, à faixa entre 390 a 700 nanômetros.

Nanômetro (nm) é a unidade do comprimento de onda da frequência da luz (a cor).  Ou seja, a unidade nm indica o tamanho da onda de determinada cor. Um nanômetro corresponde à milionésima parte do milímetro, ou seja, um milímetro dividido em um milhão de pedaços.

Na figura 16, aparece uma sobreposição de 8 distribuições espectrais da linha de LEDs brancos da Luxeon, a Rebel ES. São LEDs de alto desempenho (125 lumens/W), específicos para lâmpadas e luminárias, que trabalham nas temperaturas de cor entre 2700K e 5650K. Muito semelhantes, portanto, às lâmpadas incandescentes. Para mais detalhes, consultar a Philips Luxeon [12].

Na figura 17, é mostrado o espectro de emissão de três lâmpadas – fluorescente, incandescente e LED – de mesma temperatura de cor (3000K). Esta imagem foi extraída de um artigo sobre a ciência das cores, da excelente revista LEDs Magazine [13], que engloba informações de todos os grandes fabricantes da área e que tem versão gratuita para consultar na internet.

Outra imagem, muito didática (figura 18), vem da página da Popular Mechanics [14], que mostra um comparativo entre as emissões do sol e 3 tipos de lâmpadas. Ver os gráficos em perspectiva parece facilitar bastante as comparações.

Nota-se que ainda é necessário melhorar três pontos. O principal é a faixa entre 450 e 500 nanômetros (nm), que corresponde a um trecho entre o azul claro e o ciano. Depois, tem a faixa acima de 650 nm, que puxa para o vermelho vivo e a parte abaixo de 470 nm, pertencente ao violeta. Apesar disso, já existem LEDs comerciais na faixa infravermelho e ultra-violeta, que estão nos extremos do espectro visível.

A sensibilidade à descarga eletrostática

Todos os fabricantes, sem exceção, comentam, nos textos técnicos, o problema das descargas eletrostáticas (ESD = ElectroStatic Discharge). Um ótimo texto, da Sharp [15], informa o modo adequado para manusear os LEDs brancos. Está em formato de cartilha e é adequado para imprimir e usar como guia.

É importante dar atenção a este problema, porque ele pode reduzir severamente a vida útil dos componentes eletrônicos. Quem lida com LEDs brancos – na verdade, com eletrônica em geral -, precisa ter proteção contra descargas eletrostáticas na bancada. Ela é composta por diversos equipamentos antiestáticos (aterramento, manta, pulseira, ferramentas, móveis, embalagens, etc.).

O motivo desta precaução é que os componentes eletrônicos atuais são muito mais sensíveis que os de décadas passadas, por causa da miniaturização das pastilhas de silício. Assim, pequenas descargas, que antigamente causavam “cócegas” nos semicondutores, hoje podem queimá-los.

Outro texto, da Osram [16], informa que as perdas na indústria, decorrentes de descargas de eletricidade estática, ficam na faixa de 8 a 33%. O artigo da empresa explica que a geração de eletricidade estática ocorre principalmente através do contato e separação de dois materiais, que é conhecido como carregamento triboelétrico.

O efeito é causado pela transferência de elétrons de um material para outro. O material de um lado, que recebe elétrons, torna-se cada vez mais negativo, ao passo que o outro, que perde elétrons, fica mais positivo.

O nome “eletricidade estática” é usado porque as cargas elétricas não fluem, elas ficam estacionadas (estáticas) na superfície. Conforme o material, a carga poderá durar mais ou menos tempo.

Por exemplo, uma pessoa caminhando sobre um carpete (ou alcatifa, ou tapete). Os sapatos fazem justamente aquele contato e separação entre as superfícies. Em dias secos, com até 25% de umidade, a pessoa poderá gerar até 35kV! Se a umidade estiver alta (maior que 65%), ainda poderão ser gerados 1500V. Por isto que muitos “levam um choque” ao tocar uma superfície ou ao pegar o ônibus. Obviamente, a tensão da descarga é elevada e a corrente também, mas o corpo humano só consegue guardar energia equivalente a um capacitor de 100 a 150pF, suficiente apenas para dar um estalo audível e causar algum desconforto. Claro, se houver gases inflamáveis por perto, a situação pode ficar muito perigosa.

A chamada série triboelétrica caracteriza uma lista de materiais que podem ou não atrair cargas elétricas. A lista é classificada em materiais que atraem cargas negativas, que são neutros, ou que atraem cargas positivas – ver as referências InfoEscola [17] e Feira de Ciências [18]. O corpo humano é o que mais se carrega positivamente, ao passo que o teflon é o que tem maior propensão de obter carga negativa. O aço e o algodão são considerados neutros. Roupas sintéticas, portanto, podem ajudar a gerar eletricidade estática (e talvez alterar humor das pessoas…).

Um evento de descarga eletrostática (ESD event) ocorre quando existe um corpo carregado eletricamente e outro que, quando fica próximo, subitamente recebe esta carga. O corpo humano é causa frequente de eventos ESD. A descarga geralmente ocorre sem contato físico. É uma pequena faísca entre os dois pontos próximos.

Os danos causados por estes eventos são determinados pela capacidade dos dispositivos em dissipar a energia da descarga ou de suportá-la. Esta característica dos componentes é conhecida como ESD sensitivity (sensibilidade a descarga eletrostática).

Uma imagem altamente esclarecedora sobre o comportamento dos LEDs, com relação a surtos de descarga eletrostática, é mostrada na figura 19. Ela foi extraída do sítio da Acrosentec [19]. As curvas mostradas são referentes à região de polarização direta. A curva mais da esquerda é a normal, muito semelhante à figura 2, mostrada no começo do artigo. Conforme o dano vai aumentando, a corrente necessária para o LED ligar é cada vez maior, pois o “joelho” da curva vai subindo, até um estágio onde o LED não liga mais. O “joelho” da curva é justamente a região de operação do LED.

Conforme informação da página da empresa, as descargas de eletricidade estática geralmente estão associadas à polarização reversa. Os LEDs azuis e verdes são muito mais sensíveis a tensões reversas do que os vermelhos.

Para evitar este problema, os fabricantes colocam um diodo de proteção contra descargas eletrostáticas (diodo ESD), dentro do invólucro do LED, quando o espaço – ou o custo-benefício – permite. A figura 20 dá uma ideia de como é o processo em um LED RGB, referência 5050, da Wah Wang [20]. Pode-se comparar este modelo com aquele outro, que tem a mesma referência, na figura 3, mas não tem as proteções. Aliás, LEDs brancos muito baratos geralmente não tem diodo ESD…

Na figura 21, são mostradas algumas formas utilizadas pelos fabricantes para implementar uma proteção contra ESD. O desenho do LED SMD aqui mostrado pode ser comparado ao LED da Osram, na figura 13, onde se vê claramente a ligação do diodo ESD.

Mas o diodo ESD não pode fazer tudo, porque geralmente ele protege contra surtos até 3kV, dependendo do fabricante. É necessário tomar outras precauções contra descargas eletrostáticas, no projeto do equipamento que utilizará LEDs.

Continuando com o artigo da Osram [16], há uma orientação para ajudar na proteção contra descargas eletrostáticas, no caso de vários LEDs ligados em série: colocar um diodo zener em paralelo com todos os LEDs, como mostra a figura 22. No caso de ocorrer um evento ESD, a tensão do zener é ultrapassada e ele oferece um outro caminho para escoar a corrente elétrica. A tensão do zener deve ser maior do que a soma das quedas de tensão de todos os LEDs.

Além disso, o artigo da Osram aborda os equipamentos necessários para uma área de trabalho protegida contra eletricidade estática, as características construtivas dos LEDs e o que acontece no nível microscópico com as pastilhas de silício, quando submetidas a descargas eletrostáticas. Por último, há uma lista de checagem para controle de ESD (ESD Control Checklist).

O surtos de corrente

Outro problema é causado por surtos de corrente sobre os LEDs, nos instantes de chaveamento. A Philips [22] tem um artigo onde aborda este assunto, e esclarece que o simples chaveamento de um transistor pode causar um surto de corrente tão intenso a ponto de danificar os LEDs.

LEDs são dispositivos sensíveis às variações de corrente. Por isto, os projetistas devem estar atentos para evitar picos de corrente quando implementam seus circuitos de acionamento.

Pode-se comparar o comportamento destes circuitos com uma mangueira de jardim. Com a torneira aberta, mas o bico da mangueira fechado, a pressão na mangueira será máxima. No momento de abertura do bico, a pressão existente faz a água fluir subitamente sobre o pequeno orifício de saída. Logo após, o fluxo estabiliza. Todos provavelmente já viram o esguicho de água sair no momento de abertura do bico da mangueira. O tempo que leva para o fluxo cair até um nível normalizado é suficientemente rápido para muitos não darem importância a este esguicho inicial.

Similarmente, nos circuitos elétricos, o tempo necessário para a corrente cair a um nível regular é muito rápido para ser notado. Na verdade, nós usualmente pensamos que o LED liga imediatamente. Entretanto, os semicondutores reagem milhões de vezes mais rápido que os humanos. Um pulso de corrente muito curto – com a duração de alguns milissegundos – pode destruir uma pastilha semicondutora.

Para demonstrar claramente este efeito, vamos considerar um simples circuito, formado por uma fonte de corrente, uma chave e um conjunto de LEDs, ligados em série (figura 23). Neste exemplo, vamos assumir que a máxima queda de tensão (Vf) do conjunto de LEDs é de 36V. As especificações da fonte incluem uma corrente direta (If) de 350mA a 50V no máximo – similar a uma típica fonte de 25W para estes dispositivos.

O circuito limita a corrente em 350mA quando a chave é ligada. Mas, quando a chave é aberta, o fluxo de corrente para e o circuito é incapaz de autorregular-se. Num pequeno espaço de tempo, a tensão na saída da fonte sobe até atingir os 50V das especificações técnicas. Isto é fácil de ser verificado pela medição da tensão entre os terminais da fonte (o voltímetro da figura 23).

A saída da fonte de alimentação, mais a fiação, atuam como um grande capacitor, armazenando carga, da mesma forma que a canalização da água das residências. Quando a chave é fechada, esta carga flui rapidamente através do circuito, até que a fonte de alimentação começa a estabilizar. Só que a carga total na fiação pode ser suficiente para destruir um semicondutor (como um LED), naquele pequeno intervalo de tempo.

Prevenir surtos de corrente destrutivos é tarefa do projetista. Para um leigo, a diferença entre um surto de corrente e um acionamento tipo arranque suave (soft-start) é melhor visualizada num gráfico. Na figura 24 o eixo y corresponde à corrente (lado esquerdo, em mA) e tensão (lado direito, em V), versus tempo (eixo x, horizontal, em milissegundos). Há três áreas de interesse nestas curvas: antes do acionamento do dispositivo (off), durante o tempo que a fonte leva até regular a corrente (transient), e após a corrente estabilizar (regulated).

Utilizando a lei de Ohm, (tensão é igual a corrente multiplicada pela resistência, ou V=RI), nós podemos calcular a corrente através do LED. É fácil ver no gráfico da figura 24 como o transiente de tensão injeta um grande pico de corrente no LED. Neste caso, três vezes maior que o valor projetado de 350mA. Estes picos de corrente podem causar dano permanente para qualquer semicondutor, como circuitos integrados, microprocessadores e, claro, os LEDs.

Através da especificação de um arranque suave, os indesejáveis surtos podem ser facilmente evitáveis. Um circuito de partida suave garante que a fiação esteja a 0V quando a chave é aberta (figura 25). Com o fechamento da chave, a corrente sobe de zero até o nível desejado, sem o pico de corrente mostrado na figura anterior. Isto é análogo a deixar a mangueira com o bico destrancado, quando a torneira é aberta. Leva um pequeno tempo até a água alcançar a mangueira, e quando isto acontece, o fluxo está na intensidade desejada.

Peculiaridades dos LEDs brancos

Há outras características interessantes sobre os LEDs brancos, que podem ajudar a utilizá-los e manuseá-los melhor. A folha de dados da Nichia [23], por exemplo, informa que para os LEDs brancos emitirem uma cor estável, devem trabalhar sempre acima de 10% da capacidade máxima de corrente.

O mesmo texto também alerta que alguns LEDs não toleram limpeza por ultrassom, ao passo que o datasheet do LED SMD 5050 da Wah Wang [20] orienta que seja usada potência abaixo de 15W e o banho de limpeza tenha menos de 1 litro. A Osram [16] também não recomenda a limpeza por ultrassom. E todos os fabricantes pesquisados aceitam ou recomendam a limpeza dos LEDs com álcool isopropílico.

A corrente de trabalho

Talvez a característica mais importante do LED seja a corrente de trabalho. Apesar dos LEDs apresentarem uma queda de tensão, eles não podem ser considerados como resistores, pois não oferecem qualquer limitação de corrente. Se ligarmos uma fonte de alimentação de 4,5V diretamente em um LED branco, ele irá consumir toda a corrente elétrica que a fonte puder suprir, pois a resistência do LED, quando conduzindo, é quase nula.

Como a corrente é I=V/R, e R neste caso, tende a zero, a corrente tenderá a um valor infinito (V, de qualquer valor, dividido por um valor muuuuuito menor). Na prática, há outros fatores limitantes envolvidos, mas a intenção aqui é dar uma ideia do comportamento do circuito.

Se formos olhar novamente a figura 2, o trecho de que estamos falando é a parte vertical da curva, logo após o “joelho”, dentro da região de polarização direta. É quando a corrente sobe infinitamente, após ultrapassar 3,7V. Relembrando: os LEDs trabalham (emitem luz) apenas na parte anterior a este ponto, dentro do “joelho”. Acima disso, queimam, quando é ultrapassada a corrente máxima para a qual foram projetados.

Por isto, uma conexão direta do LED à fonte de energia, sem limitação de corrente, é desaconselhada. Mas existem no mercado muitas lanternas de LED que utilizam esta condenável forma de ligação, pois confiam na baixa capacidade de corrente das pilhas.

A ideia é simples: se a corrente é muito alta, naturalmente as pilhas irão baixar a tensão (diminuindo a corrente) e o circuito entrará em equilíbrio. Mas os LEDs vão perdendo a capacidade de iluminação com o tempo, que é culpa, em boa parte, do surto inicial de corrente a que são submetidos.

Isto ocorre porque, como os LEDs não são idênticos (apresentam quedas de tensão diferentes), quando ligados em paralelo um deles entrará em funcionamento primeiro, por causa da barreira de potencial menor. Ele receberá toda a corrente das pilhas, numa intensidade muito alta. Daí, como a corrente de trabalho mais alta sobre o LED aumenta sua queda de tensão [5], os outros LEDs começarão a ligar. Isto acontece numa fração de segundo. Mas o dano já está feito (rever figura 19). No curto prazo, os LEDs não ligam mais.

Limitando a corrente no LED – o modo mais simples

Algum tempo atrás, ganhei uma pequena luminária de LEDs, alimentada por 3 pilhas palito (total de 4,5V) e também por um cabinho USB, que podia ligá-la no computador (5V). Sem conhecer o produto, liguei a luminária numa fonte de 5V da bancada e os LEDs iluminaram, mas começaram a apagar, um a um. Exalavam um cheiro forte, pois estavam queimando.

Abri a luminária e fui surpreendido ao encontrar todos os 12 LEDs em paralelo, conectados diretamente à fonte de energia. A figura 26 mostra o esquema elétrico do produto original. Fui à loja, reclamei e troquei por outra luminária, nova e igual. Daí, antes de ligá-la, fiz algumas modificações para evitar o problema criado pelo fabricante.

A proposta é implementar um resistor limitador para cada LED, que é o modo mais simples de limitar a corrente. O cálculo, neste caso, feito para um LED, é válido para os demais, pois todos estão em paralelo. Assim, são 12 resistores, para os 12 LEDs da luminária. O esquema alterado da luminária aparece na figura 27.

Poucas e simples contas

A Lei de Ohm diz que V=RI. Ou seja, tensão (V) é igual a resistência (R) vezes a corrente (I). A figura 28 traz a Lei de Ohm em forma gráfica, fácil de aprender.

Então, a luminária em questão pode ser alimentada por tensões entre 4,5 e 5V, provenientes de 3 pilhas ou da fonte do computador, respectivamente. Vamos aceitar também as pilhas recarregáveis, que tem 1,2V. Assim, temos uma faixa de alimentação entre 3,6V e 5V, na qual a lanterna deverá funcionar.

Muitos utilizam, como regra geral, a corrente na faixa de 10 a 25mA para os LEDs brancos comuns, de baixa potência. Mas eles funcionam desde 1mA. Para economizar energia, dispor de um nível luminoso razoável e também para aumentar a durabilidade dos componentes (evitando aquecimento excessivo), determinamos uma corrente máxima de 20mA.

Vamos rever a página da Trainweb [5]. De lá, extraímos o gráfico de tensão x corrente para os LEDs (figura 29). Este gráfico mostra apenas a faixa de operação dos LEDs (o “joelho” da figura 2). Ele foi montado pelo autor da página, após realizar diversas medições. Vamos considerar somente a curva mais à direita, do LED branco.

Para a corrente mínima de 1mA (0,001A),  O gráfico da figura 29 informa que a queda de tensão é de 2,5V para uma corrente de 1mA, ou seja, este é o menor valor de tensão possível para o LED ligar. O valor da tensão de alimentação mínimo será de 3,6V. Daí, a limitação da corrente deverá tomar por base a tensão de 3,6V (pilhas) menos 2,5V (LED), o que dá 1,1V. O cálculo será, então, R=V/I.

R=1,1/0,01

R=110 ohm. Este será o valor máximo de R, ou seja, definimos a corrente mínima, para quando as pilhas estão fracas.

Agora, vamos calcular o resistor para a maior tensão de alimentação. A tensão para cálculo será de 5V (do cabo USB), menos 3,6V, que é a queda de tensão do LED quando alimentado com corrente de 20mA. Portanto, a tensão sobre o resistor será de 1,4V. A fórmula será R=V/I.

R=1,4/0,020

R=70 ohm. Este é o menor valor para R, considerando a corrente máxima de 20mA e a alimentação de 5V (quando alimentamos o circuito com o cabo USB).

Então, devemos escolher um resistor comercial entre 70 e 110 ohm.  O valor comercial maior e mais próximo para o resistor é 82 ohm.

Se quisermos um valor mais perto de 70 ohm, podemos utilizar dois resistores de 150 ohm, que em paralelo resultam em 75 ohm.   Neste caso, seriam 24 resistores dentro de uma pequena luminária, o que tornaria difícil a montagem deles.

Optamos pelo valor de 82 ohm e recalculamos a corrente máxima. Então, I=V/R.

I=1,1/82, que dá 13mA para a alimentação de 3,6V.

I=1,4/82, que dá 17mA quando a alimentação é de 5V.

Além disso, resistores de 82 ohm ativarão os LEDs até quando as pilhas ficarem bem gastas, com 2,6V. Nesta tensão é que será alcançada a corrente mínima de 1mA por LED.  Abaixo dessa tensão, os LEDs não ligam, evitando a descarga completa das pilhas.  O circuito utilizará as pilhas até o último suquinho…

A alteração de uma luminária

Um pouco de prática. A figura 30 mostra o resistor de 82 ohm (faixas cinza, vermelho, preto), utilizado na luminária. Para quem quiser saber mais sobre as cores dos resistores e respectivos valores, consultar a Feira de Ciências [24]. Os passos para efetuar as modificações da luminária de LEDs estão nas figuras 31 a 50.

Nas figuras 34. 35 e 36 está a sequência para a interrupção das trilhas da placa de circuito impresso, que abriga os LEDs. A intenção é individualizar as ligações de um dos polos de cada LED (não importa qual, desde que todas as interrupções sejam do mesmo polo). Em nosso caso, as interrupções foram feitas nos ânodos dos LEDs. Os resistores foram ligados nestas interrupções e depois unidos num ponto, que liga ao positivo (figuras 37 a 41).

Com o conjunto montado, foi medida a corrente total dos LEDs, com uma fonte de 5V (figura 42). O consumo foi de 170mA, que, dividido por 12, dá aproximadamente 14mA por LED. O que demonstra que os cálculos foram razoavelmente corretos. Pode-se considerar que a desigualdade dos LEDs da luminária aumentou o erro dos cálculos, já que os LEDs são de procedência desconhecida e não foram testados individualmente.

Como a modificação foi feita às pressas, houve um percalço. Ao remontar a luminária, foi encontrado no meio do compartimento que aloja os LEDs, literalmente, um pequeno poste… Parecia ser um mecanismo de centralização entre a peça superior e inferior, e como não encontrei outra razão para ele existir, foi extirpado (figuras 43, 44, 45 e 46). Se tivesse sido menos afoito na montagem dos resistores, poderia tê-los colocado mais folgados, o que permitiria contornar o obstáculo plástico e teria mantido intacta a luminária.

Nas figuras 48 e 49 aparece a luminária já montada, e na figura 50 o cabo, utilizado para ligá-la a uma porta USB.

Maneiras de alimentar os LEDs

A folha de dados da Nichia [23] informa que seus LEDs podem ser ligados em paralelo, quando conectados a uma fonte de corrente. Quando os LEDs são de marca reconhecida, como estes da empresa japonesa, a qualidade fica evidente e pode ser que exista muita semelhança entre os produtos de uma linha, o que talvez torne aceitável a ligação em paralelo. Mas tenho minhas dúvidas, continuo preferindo ligá-los com fontes de corrente individuais. Ou em série, quando houver suficiente tensão de alimentação.

O mesmo documento informa que, quando os LEDs são ligados a uma fonte de tensão, devem ter um resistor em série – que, no fim das contas, transforma a alimentação por tensão fixa em alimentação por corrente fixa… Ou seja, sempre ligue os LEDs em fontes de corrente!

Fonte de corrente, para quem não sabe, é aquela que mantém o fluxo de corrente de modo constante. Ou seja, controla-se o valor da corrente, não da tensão. A fonte de corrente mais simples é o resistor. Os circuitos eletrônicos que atuam como fonte de corrente imitam o comportamento do resistor. É desejável que a fonte de corrente tenha uma alta impedância.

Para levar a cabo esta tarefa, são necessárias tensões mais altas na entrada do que para as fontes de tensão fixa. Num exemplo hipotético: não importa se a carga é de 1 ohm ou 100 ohm, a fonte deve fornecer a mesma corrente para os dois casos. A tensão sobre a carga poderá variar, mas a corrente sempre será a mesma, para qualquer caso.

O circuito integrado regulador LM317 – ver referência [25], um componente corriqueiro em fontes de alimentação ajustáveis, pode ser utilizado como fonte de corrente. Fabricado desde a década de 1980, é muito comum ainda hoje no comércio de eletrônica e facilita a implementação de qualquer fonte de corrente de até 1,5A.

Ele admite até 40V de diferença de tensão entre a entrada e saída e é vendido em vários encapsulamentos. O invólucro TO-220 dissipa até 20W. Obviamente, com correntes mais altas haverá a necessidade de dissipador.

Na figura 51 é mostrada uma fonte de corrente com o LM317. O cálculo para determinar o valor da corrente que o circuito fornecerá é simples:

I=Vr/R

Onde I é a corrente desejada, em Ampere, Vr é a tensão de referência (1,25V) e R o valor do resistor. Então,

I=1,25/R

A folha de dados, da National, para o LM317 [26], orienta que o valor de R deve estar entre 0,8 ohm e 120 ohm, o que significa que a corrente mínima que ele fornece nesta configuração é 10mA (1,25/120 = 0,0104A).

Além disso, é necessário somar às tensões de acionamento dos LEDs, a queda de tensão causada pelo LM317 – que é de aproximadamente 2,5V. O circuito somente poderá ser alimentado com tensões superiores a esta soma.

A página de Francesco Sacco, Epopeia Eletrônica [27], tem a tradução de uma nota técnica da ON Semiconductors sobre fontes de corrente específicas para LEDs com o LM317. Lá são mostradas, por exemplo, maneiras de ligar LEDs em paralelo, com acionamento individual.

Outra fonte de corrente com o LM317 está na Talking Electronics [28], que mostra como fazer um LM317 fornecer desde poucos miliamperes até 500mA, de modo continuamente ajustável. O esquema está mal desenhado, pois a entrada fica à direita, em posição inversa à usual (figura 52). Tirando isto, é um circuito interessante para testar, pois a proposta dele é passar a maior parte da corrente sobre o transistor, permitindo o uso de potenciômetro comum. Mas deve-se atentar que a queda de tensão sobre o circuito aumentará ainda mais.

Mais fontes de corrente

A linha de reguladores 78xx (7805, 7808, 7809, 7812, 7815, etc.) também pode ser utilizada como fonte de corrente de até 1A (para o encapsulamento TO-220). O esquema mostrado na figura 53 utiliza o 7805, ligado da mesma forma que o LM317. Além dos capacitores adicionais, muda o cálculo, que deve considerar a tensão de trabalho do regulador (Vreg, que com o 7805 é 5V) e a corrente quiescente Iq, que é de 4,2mA para este regulador – ver referência Newpic [28]. A fórmula para o cálculo da corrente de saída Is é:

Is = Vreg/R + Iq

O mesmo artigo da Newpic mostra como fazer uma fonte de corrente, ajustável continuamente, com os 78xx. Há também um datasheet da Texas Instruments [30], que mostra as configurações de fonte de corrente para o LM340 ou LM78xx. O LM340, pela folha de dados, tem corrente quiescente bem mais baixa: 1,3mA.

Acionando LED à moda antiga

A página Troniquices [31] traz uma fonte simples de corrente constante, com transistor, estabilizado por diodo zener (figura 54). Os valores dos componentes ali estabelecidos mantém uma corrente de 20mA para o LED, sob tensões de alimentação entre 9 e 20V.

O autor chama o circuito de “resistência mágica”, porque ele funciona como se fosse uma resistência autoajustável, conforme a tensão de alimentação. É o que caracteriza, aliás, todas as fontes de corrente. O artigo explica detalhadamente como realizar a simulação do circuito no SPICE, mas não informa o método de cálculo do circuito.

Da Tnitrato [32], temos um esquema de fonte de corrente para 5A, sob 5V, dedicado à eletrólise (figura 55). Para funcionar adequadamente com LEDs, deve-se recalcular seus componentes. O motivo deste circuito aparecer aqui é que ele é bastante semelhante ao anterior, só que maneja muito mais potência (25W).

Isto torna-se possível por causa do acoplamento Darlington dos transistores, que aumenta tremendamente o seu ganho. Neste tipo de acoplamento, o ganho de um transistor é multiplicado pelo ganho do outro. Os dois transistores, neste caso, trabalham como se fossem um só. Quanto maior o ganho de um transistor, menos corrente de base será necessária para manejar a corrente entre emissor e coletor. Para maiores detalhes sobre esta ligação, consultar a Electronics-tutorials [33].

Só que estes circuitos tem limitações, com relação à tensão de alimentação. Se ela alterar muito, o resistor que polariza o diodo zener deverá ser recalculado, para evitar sobrecarga. Além disso, há dificuldade de acionamento através de outros dispositivos, como os microcontroladores.

O funcionamento desta implementação é baseado no diodo zener, que estabiliza a tensão em um valor determinado e deriva parte da corrente que recebe para a base do transistor. Desta forma, a corrente de base será sempre igual, fazendo com que a corrente entre coletor e emissor, bem maior, também seja constante.

Mas, muita corrente vai só para o diodo zener, especialmente quando a alimentação alcança o valor máximo. Sob 9V, o zener drena 2mA, que sobem para 7mA quando a tensão chega em 20V (figura 54). Em tempos de economia energética, não é aceitável desperdiçar, em forma de calor, quase 30% da energia para alimentar um LED.

E a configuração da figura 55 parece ter um problema básico de projeto. Todo transistor, quando conduzindo, mantém entre base e emissor uma tensão em torno de 0,6V, devido à queda de tensão da junção semicondutora. No caso de uma junção Darlington, a tensão dobra: 1,2V. Então, pergunto: de que adianta ligar ali – entre base e emissor – um diodo zener, de tensão muito mais alta (3,3V), se a tensão direta da junção não irá aumentar?

Claro, a implementação funciona bem se houver um resistor de emissor, como na figura 54. Mas no diagrama da figura 55, a corrente não irá passar pelo diodo zener. Ou seja, este componente não fará nada, pois toda a corrente será levada para a base do primeiro transistor.

Circuitos simples, mas eficientes e funcionais

Há uma interessante fonte de corrente, proveniente do livro “311 Circuitos” da Elektor, sob o título “Simple LED Constant Current Source” [34]. A dica (somente o esquema) foi publicada na internet pela Eletrônica Silveira [35]. A configuração mantém uma corrente aproximada de 20mA e pode ser alimentada por tensões entre 5 e 24V (figura 56).

Para realizar o cálculo da corrente, é utilizada somente a lei de ohm: R=V/I, onde R é o valor de R1 desejado, V é a tensão da junção de T2 (na qual inicia seu funcionamento: 0,7V) e I a corrente de trabalho. A corrente não pode passar de 20mA com aqueles componentes.

Assim, temos R=0,7V/0,02A, que neste caso resulta em 35 ohm. O valor mais próximo de um resistor comercial é 39 ohm, justamente o que foi ali empregado.

Outro circuito, ligeiramente diferente, vem do sítio Eletroalerta [36]. Ele aceita uma tensão de trabalho entre 6 e 15V (figura 57). A diferença entre o circuito anterior e este é que os componentes formam um bloco, que pode ser ligado como um resistor: em série com o LED. Além de utilizar um transistor Darlington (BD679 ou TIP120), que amplia a potência desta implementação, pois manipula até 100mA de corrente – de acordo com o texto.

O autor utilizou uma tensão de referência por volta de 0,56V, pois o cálculo é exatamente o mesmo do circuito da figura 56: de acordo com o artigo, se o valor de R2 é de 56 ohm, a corrente no dispositivo será de 10mA. Se R2 é de 5R6 ohm, a corrente será mantida em 100mA.

Por causa da ligação em série com o bloco de componentes, o LED pode ser montado de outra forma: ligado ao ramo positivo da alimentação. Isto facilitaria a implementação de um comando liga/desliga, pois seria suficiente desconectar do positivo o resistor R1 (10K) e acoplá-lo à saída de qualquer circuito digital, como um microcontrolador ou uma porta lógica. A figura 58 ilustra esta possibilidade.

Da página da Bright Hub Engineering [37] vem outro circuito de mesmo tipo (figura 59) e mesma fórmula de cálculo. Ela traz o cálculo tanto do resistor de emissor (R2) quanto do resistor de base (R1), este também muito simples:

R1=(Vb-0.6) * Hfe / I

Onde Vb é a tensão sobre R1 (o potencial máximo que ele receberá quando ligado),

Hfe = é o ganho de corrente de T1 (beta – disponível nos respectivos datasheets) e

I = corrente sobre o LED.

Este circuito (da figura 59) já vem com a facilidade de comando externo. No sítio da Schematics from Delabs [38], encontramos outro circuito semelhante (figura 60), também dedicado à alimentação de LEDs, utilizável até 25V, com 20mA máximos.

A última fonte de corrente, na figura 61, proveniente da página Electronis DIY [39], funciona com tensões entre 2 e 18V. O autor adotou como chave um transistor MOSFET de potência (apesar de tê-lo desenhado incorretamente), o que diminuiu a tensão mínima para o funcionamento do circuito e possibilita sua utilização em aparelhos portáteis. O sítio Mad Scientist Hut [40] também descreve uma fonte de corrente com transistor MOSFET, com cálculos.

Esta configuração facilita a implementação do recurso de partida/parada suave, pois a porta do MOSFET só precisa de tensão para ser acionada (a corrente que ela drena é desprezível). Para baixas tensões de trabalho, é necessário empregar um transistor MOSFET de acionamento por nível lógico. Estes transistores costumam chavear a partir de 2,5V. Já os MOSFETs comuns, somente conseguem acionar plenamente a carga com uma tensão de porta ao redor de 10V.

Todas as implementações das figuras 56 em diante funcionam da mesma forma. Por isso, vamos explicar o funcionamento somente do esquema da figura 61.

O transistor Q2 é um MOSFET de potência, canal N, que funciona como uma resistência variável. R3 é o resistor sensor, ligado entre o terminal Supridouro – S e o terra, que exibe uma tensão entre seus terminais, proporcional à corrente de Q2.

O valor de R3 é calculado para apresentar 0,7V na base de Q1, assim que a corrente máxima é atingida. Ou seja, o transistor Q1 só entra em ação – para reduzir a tensão de Porta (G) -, se a corrente ultrapassar o valor previsto. Caso contrário, o transistor MOSFET Q4 não é incomodado e conduz plenamente, o que indica que sempre a corrente estará no valor máximo (se a fonte tiver potência suficiente).

Estes circuitos tem a vantagem de aceitar o comando por qualquer dispositivo externo, inclusive acionamento PWM. Podem manejar correntes desde alguns miliamperes, até 20A ou mais, desde que sejam escolhidos os componentes adequados e satisfeitas as condições de dissipação de calor.

Qual fonte de corrente escolher?

As fontes de corrente mostradas nos tópicos anteriores tem vantagens e desvantagens, que poderão indicar qual o circuito mais adequado para cada aplicação.

Utilizando circuitos integrados reguladores de tensão, como o LM340, LM317 ou 7805, dentre outros, temos um dispositivo pronto para fornecer correntes até 1 ou 1,5A, que é de fácil implementação. Quando não se deseja comandar o LED através de um circuito eletrônico, é uma opção interessante. A configuração com 7805 pode ser montada com componentes de sucata, mas o LM317 é de uso mais raro em equipamentos eletrônicos.

As fontes de corrente que utilizam diodo zener para sua estabilização necessitam de cuidadoso projeto para que possam ser utilizadas corretamente, e também não são adequadas a comandos externos. Além disso, os cálculos dos componentes são muitos e dificultam a adequação do circuito para outros casos, conforme pode-se ver na Wikipédia [41].  Outra dificuldade é encontrar o valor exato do diodo zener em sucatas.

O circuito mais versátil é a fonte de corrente com resistor sensor (resistor shunt) e transistor MOSFET, pois pode manipular muita potência, facilita a utilização em equipamentos portáteis e permite a configuração do comando externo, caso desejado. Além de utilizarem componentes muito comuns em sucatas, como fontes de computador.

Um circuito prático, para acionar LEDs com segurança

Na figura 62 aparece um diagrama de fonte de corrente com transistor MOSFET e alguns componentes adicionais. Este circuito foi testado por mim e funciona muito bem. Tem partida e desligamento suaves, além de proteção contra sobrecarga e inversão de polaridade no LED.

Este circuito não define quantos leds serão alimentados. Podem ser utilizados muitos deles em série, desde que a queda de tensão de todos eles somados fique pelo menos 2V abaixo da tensão de alimentação.

Também deve ser garantido que a porta do transistor não receba tensão mais alta do que a tensão de acionamento, algo entre 5 e 10V – dependendo do tipo de MOSFET. Isto pode ser feito com outro diodo zener, de tensão um pouco maior (7,5 ou 12V, respectivamente), ligado entre a porta e o supridouro.

A proteção contra sobrecarga, feita com um diodo zener, com tensão um pouco maior do que a queda de tensão do LED, foi colocada em paralelo com ele. Este diodo zener (D1) deve ser alterado caso sejam ligados mais LEDs, pois ele sempre deve ter tensão maior que a soma de todas as quedas de tensão dos LEDs ligados em série.

Poderia ser utilizado (para um LED) um diodo zener de 3,9V. Mas de modo a diminuir a fuga de corrente, pois seriam apenas 0,2V de diferença em relação à queda de tensão do LED branco (3,7V), foi escolhido um diodo zener de 4,3V, o que dá uma folga de 0,5V. Com mais LEDs em série, a folga total pode ser reduzida. Se a aplicação destina-se a acionar LEDs de outras cores, também deverá ser ajustado o valor do diodo zener, de acordo com a queda de tensão resultante.

Para proteger contra tensão reversa, poderia ser deixado o próprio diodo zener D1, pois os datasheets informam que a queda de tensão direta deles é de 1,2V. Este valor ainda ficaria abaixo da queda de tensão de qualquer LED. Novamente, por precaução, coloca-se um diodo inversamente polarizado (D3).

Aqui, é mais adequado utilizar diodos rápidos, como o 1N4937, muito comum em reatores de lâmpadas fluorescentes, ou algum outro, proveniente de fontes de PC ou do estágio horizontal de televisores. A razão para utilização de diodos com breve tempo de resposta é que, como os MOSFETS tem um diodo rápido inversamente polarizado entre o Dreno e Supridouro, poderia ocorrer alguma tensão inversa sobre o LED, num pequeno intervalo de tempo, no qual ele estaria desprotegido. Se o LED utilizado tem diodo ESD interno, D3 é desnecessário.

A partida e o desligamento suaves. Os transistores MOSFET chaveiam quando existe uma tensão suficiente na porta (Gate). A impedância deste terminal G é tão alta que o consumo de corrente não é considerado relevante. Assim, basta existir uma tensão suficiente na porta para que seja possível acioná-los.

No caso de MOSFETs que aceitam acionamento por níveis lógicos, geralmente considera-se uma tensão de alimentação de 5V. O dispositivo liga quando a tensão sobe além de 2/3 da alimentação, e desliga quando ela fica 1/3 abaixo de 5V. Muitos destes transistores chaveiam já a partir de 2,5V. Outros transistores MOSFET, de acionamento tradicional, ligam plenamente a carga quando a porta alcança cerca de 10V.

Então, para conseguirmos arranque ou parada suaves em transistores MOSFET, é necessário elevar ou abaixar lentamente a tensão de porta. Este comportamento pode ser configurado facilmente com um capacitor (C1), ligado entre a porta e supridouro de Q2 (figura 62). Através de um resistor de alto valor (R1), o capacitor carrega-se lentamente.

O resistor R2, colocado em paralelo com o capacitor, garante que ele ficará descarregado no próximo acionamento. O seu valor determina a velocidade de descarga de C1 e deve ser pelo menos o dobro de R1, para não diminuir demais a tensão de acionamento da porta. Com baixas tensões de alimentação, a tensão de porta reduzida pode causar funcionamento errático.

A extremidade livre de R1 pode estar ligada a qualquer circuito que forneça os níveis lógicos alto (valor próximo ao da alimentação) e baixo (valor próximo a zero). Mais ou menos como se fôssemos conectar este resistor ao positivo, para ligar os LEDs, ou aterrado, para desligá-los.

Deve-se atentar para o comportamento de R1, quando aterrado (nível lógico baixo). Ele ficará, neste caso, em paralelo com R2, fazendo com que a descarga de C1 seja mais rápida. Caso o técnico não queira este comportamento, pode-se intercalar um diodo de sinal (D4) em série com R1. Da forma como está ligado (figura 62), D4 somente pode injetar tensão no circuito, não retirá-la.

Se for desejado um acionamento PWM, é interessante eliminar C1, porque ele poderá influenciar no chaveamento, dependendo da frequência utilizada. Ou então deve-se reduzir o seu valor até que a interferência, vista através do osciloscópio, seja insignificante. R2, neste caso, também será retirado.

Com esta configuração, temos um sistema de acionamento simples, confiável, eficiente e de baixo custo.

Os transistores comuns e Darlington também podem utilizar um capacitor para a função de retardo. Mas como a corrente de base deles é bem mais alta, o valor de C1 terá que ser maior. Não tanto para os transistores Darlington, que são um meio termo entre os bipolares e os MOSFET, devido ao alto Hfe.

Outros circuitos práticos para LEDs

Na internet tem muita coisa sobre LEDs. Escolhi alguns circuitos, que considero interessantes e que ajudam a dar um panorama do que é possível fazer na área da iluminação.

Belza é uma excelente página de eletrônica, da República Tcheca, que tem ideias muito interessantes. Por exemplo, um projeto completo de uma lâmpada LED para 230V [42], onde o autor mostra o que aconteceu com os LEDs brancos depois de 7 meses. Ou uma pequena luz noturna, daquelas que ficam na tomada, também para ligar em 230V [43]. Alguns artigos tem dupla linguagem (inglês e tcheco). Mesmo assim, o idioma tcheco não é problema, pois pode-se pedir para o Google traduzir a página…

Na Red Circuits [44], tem o diagrama de um cluster de LEDs vermelhos para luz de freio (brake light). Do mesmo sítio, vem um esquema de lanterna tipo caneta [45], que utiliza 4 pilhas botão. É baseado em um circuito da Elektor.

Por último, um projeto de controle para LEDs RGB, vindo da página Electronics-DIY [46]. Tem o desenho da placa de circuito impresso e pode ser modificado para alimentar tiras de LEDs RGB. O circuito modifica continuamente a cor emitida, da mesma forma que alguns produtos comerciais. Não utiliza microcontrolador, apenas um CMOS 4029 e um 555, além de poucos componentes mais.

Notas finais

Para todos os circuitos mostrados é necessário observar as recomendações sobre a tensão máxima admissível, tensão reversa, eletricidade estática e sobrecorrente. Projetando cuidadosamente circuitos de alimentação de LEDs, com as devidas proteções, respeitando os seus limites, eles poderão prestar bons serviços por muito tempo. Aliás, esta deveria ser a regra: monte um circuito e depois esqueça que ele existe, pois sempre que precisar ele estará fazendo a sua parte. A vida muda demais para ficarmos fazendo sempre as mesmas coisas.

Nota-se, no texto, que a tensão de referência para a junção semicondutora não é unânime. Dependendo da fonte consultada, encontramos valores desde 0,5V até 0,7V. Não é uma diferença apreciável, além do que, nas montagens, sempre ocorrem desvios dos valores projetados. Em circuitos eletrônicos, a prática sempre melhora a teoria, pois conforme a origem do componente, poderão ocorrer mudanças mais ou menos importantes no comportamento esperado.

Neste artigo, não cogitei de alimentar os LEDs com pulsos, somente com corrente contínua. A alimentação com ondas tipo PWM, destinada a regular a intensidade de corrente, é mais complexa de implementar e presta-se melhor a circuitos com microcontroladores ou circuitos integrados dedicados, como o TL494 ou SG3525.

Outra questão é a vida útil estimada para os LEDs. Este artigo pretendeu, em primeiro lugar, demonstrar formas adequadas de ligá-los, de modo a garantir sua vida útil. Outro objetivo foi expor suas características, para que possam ser melhor conhecidos. Pois a utilização sem qualquer cuidado faz com que a durabilidade deles seja muito menor do que a anunciada. Isto tem ocorrido em grande escala na indústria de transformação, que procura reduzir os custos justamente onde não deveria: o circuito de acionamento dos LEDs.

E um detalhe sobre gasto de energia. Apesar da tão propalada economia, mesmo os LEDs não são um exemplo perfeito. São somente o reflexo do estágio atual de nossa tecnologia. Porque, se as incandescentes transformam em luz apenas 5 a 10% da energia que recebem, os LEDs são só um pouco melhores. Do total, somente 30% vira luz, o resto é calor. E as fluorescentes estão no meio destes valores, pois são piores que os LEDs. Portanto, ainda temos muito o que melhorar, para o nosso futuro.

REFERÊNCIAS (Revisadas em abril de 2019 – os links inativos correspondem a páginas hoje inacessíveis)

[1] ISCTE – Instituto Universitário de Lisboa – Diodos – http://cadeiras.iscte.pt/fe/diodos.ppt

[2] UNB – LARA – diodos_20112.pdf (link local)

[3] Lednike – IV curves – http://lednique.com/current-voltage-relationships/iv-curves/

[4] Wikipedia – LED – Light–Emitting Diode – http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

[5] Trainweb – White LED tips – http://www.trainweb.org/girr/tips/tips7/white_led_tips.html

[6] Google Patents – LED lamp – US6922024B2 – http://www.google.com/patents/US6922024

[7] Polytech Lab – LED/OLED – http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=polytechzone&logNo=140057557662

[8] Rohm – LED fundamentals – http://micro.rohm.com/en/products/lighting/led/index.html

[9] Osram – Led Golden Dragon Plus – http://en.wikipedia.org/wiki/Osram_Opto_Semiconductors_GmbH

[10] Photal – Espectrograma de emissão de LED RGB – http://www.photal.co.jp/english/product/le_me_0.html

[11] CED – UFSC – Funcionamento das lâmpadas incandescentes – http://www.ced.ufsc.br/men5185/trabalhos/63_lampadas/incand/funciona03.htm

[12] Philips Lumileds – Luxeon Rebel ES – http://www.philipslumileds.com/uploads/17/DS61-pdf

[13] Leds Magazine – Understanding color science to maximize success with LEDs – part 4 – http://ledsmagazine.com/features/10/2/11

[14] Popular Mechanics – John Herrman – Ultimate Light Bulb Test: Incandescent vs. Compact Fluorescent vs. LED – Sep 20, 2011 – http://www.popularmechanics.com/technology/gadgets/tests/incandescent-vs-compact-fluorescent-vs-led-ultimate-light-bulb-test#slide-1

[15] Sharp – Handling instructions – LED chips – led_solder.pdf (link local)

[16] Osram – ESD Protection while Handling LEDs – https://www.osram.com/media/resource/HIRES/333839/326035/esd-protection-led-systems.pdf ou link local: ESD_Protection_while_Handling_LEDs.pdf

[17] Info Escola – Série triboelétrica – http://www.infoescola.com/eletrostatica/serie-triboeletrica/

[18] Feira de Ciências – Série triboelétrica – http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_51.asp

[19] Acrosentec – Mechanism of ESD Shock to LED – Acrosentec.pdf (link local)

[20] Wah Wang – Folha de dados do LED 5050, tipo SMD – http://www.wahwang.com/eng/component.php

[21] Sigetronics – Zener diodes for ESD/EOS Protection.pdf (link local)

[22] Philips Lumileds – Understanding LED perfomance – www.philipslumileds.com/uploads/14/NA05-pdf

[23] Nichia – Specifications for white LED – NSPW510HS-K1-E.pdf (link local)

[24] Feira de Ciências – Tabela de cores dos resistores – http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/15_28.asp

[25] Texas instruments – LM317 – http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf

[26] Datasheet Catalog – LM317 National – http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS009063.PDF

[27] Epopeia Eletrônica – Fontes de corrente com LM317 –http://www.epopeiaeletronica.com/v3/index.php?option=com_content&view=article&id=70:esquema-de-fonte-de-corrente-constante-para-led-and8109d-on-semi&catid=48:fontes-de-alimentacao&Itemid=75

[28] Talking Electronics – Constant current – http://talkingelectronics.com/projects/200TrCcts/101-200TrCcts.html?#13

[29] Newpic – 10 circuitos úteis com reguladores de tensão da série 78xx.pdf (link local)

[30] Texas Instruments – LM340 – http://www.ti.com/sitesearch/docs/universalsearch.tsp?searchTerm=LM340#q=LM340&t=everything&linkId=1

[31] Troniquices – Fonte de corrente de 20mA com um transistor – http://troniquices.wordpress.com/2011/03/11/e-super-facil-simular-um-circuito-electronico/

[32] Tnitrato – Química inconvencional – Fontes para eletrólise – http://tnitrato.no.comunidades.net/index.php?pagina=1254463763

[33] Electronics-tutorials – Darlington transistors – http://www.electronics-tutorials.ws/blog/darlington-transistor.html

[34] Elektor Elektronics – 311 circuits – Simple LED Constant Current Source – p.272

[35] Eletrônica Silveira – Fonte de corrente constante 20mA para LED – http://eletronicasilveira.forumeiros.com/t1125-led-de-corrente-constante

[36] Eletroalerta – Fonte de corrente constante com transistores – (link atualmente inválido, invasivo)

[37] Bright Hub Engineering – LED Constant Current Maintenance – Current Stabilization in LED Circuits Expounded – http://www.brighthubengineering.com/diy-electronics-devices/56509-controlling-safe-current-through-leds/

[38] Schematics of Delabs – Constant Current Source LED Drive – http://schematics.dapj.com/2007/02/constant-current-source-led-drive.html

[39] Electronics DIY – Power LED Driver Circuit – http://electronics-diy.com/power-led-driver-circuit.php ou http://www.instructables.com/id/Power-LED-s—simplest-light-with-constant-current/

[40] Mad Scientist Hut – Current Limiting using 4 components – http://madscientisthut.com/wordpress/daily-blog/simple-led-constant-current-circuit-uses-four-components/attachment/i-lim/ 

[41] Wikipedia – Fórmulas para o cálculo de fontes de corrente a zener – http://en.wikipedia.org/wiki/Current_source

[42] Belza – LED bulb – Yes or not? (Lâmpada LED – Sim ou não?) – http://www.belza.cz/ledlight/ledbulb.htm

[43] Belza – LED lamp night light (Circuito de luz noturna LED para corredores) – http://www.belza.cz/ledlight/nighli.htm

[44] Red Circuits – LED driven tail/brake Signal Cluster – http://www.redcircuits.com/Page165.htm ou http://www.redcircuits.com/Page85.htm

[45] Learning Electronics – LED Light Pen –

http://www.learningelectronics.net/circuits/led-light-pen_19.html

[46] Electronics DIY – RGB LED driver – http://www.electronics-diy.com/electronic_schematic.php?id=990

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