Dicas do Zébio

Às vezes, precisamos lidar na penumbra ou na escuridão com a ajuda de uma lanterna. Mas, ocupar uma das mãos com ela atrapalha qualquer serviço.

A solução é uma lanterna de cabeça, que seja fácil de usar. Consegui isso ao adaptar um modelo LED em capacete de segurança, alimentado por pilha de lítio recarregável e substituível. É o assunto deste artigo.

Aproveite para conhecer um circuito simples e eficiente de controle de corrente para LEDs, que funciona com ampla faixa de tensões.

Resumo

Introdução

Porquê não quero mais usar lanternas de cabeça prontas

Uma ideia luminosa

Lanterna sem complicação, por favor!

Qual pilha usar?

Durabilidade da pilha, soquete

Ligação do LED branco

Como funciona a fonte de corrente para LEDs

Montagem e teste!

Referências

Introdução

O horário que tenho livre é sempre depois do expediente, por isso preciso de lanterna, principalmente no inverno, quando as noites avançam sobre os dias.

Para sair rapidinho à noite para o quintal, em busca de um tempero, serve uma lanterna de mão – ou foque, como chamamos no interior do RS.

Preciso de boa luz, para enxergar pequenos animais e evitar de pisá-los. Quem já escorregou por causa de uma lesma ou esmagou um opilião “cheiroso”, sabe do que estou falando.

Em tarefas mais demoradas, como mexer na compostagem, capinar ou terminar uma poda, a lanterna de cabeça da fig. 1 é melhor, até porque o sensor de presença desliga a lâmpada do pátio em pouco tempo.

Outras vezes, para lidar com a instalação elétrica, os lugares quase sempre estão na penumbra e uma lanterna ajuda bastante.

No entanto, manter as mãos livres não é suficiente, porque algumas lanternas sabem atrapalhar.

Porquê não quero mais usar lanternas de cabeça prontas

Lanternas de cabeça de amarrar não são práticas. Um dos elásticos arrodeia a cabeça por cima das orelhas e outro vai nos cabelos, da testa à nuca. Demora ajustar um trambolho desses – falo por experiência, tive 4 modelos.

O primeiro tipo de lanterna de cabeça que comprei (fig.2) tem sete fraquinhos LEDs brancos de 5mm e usa 3 pilhas palito (tamanho AAA). Como o uso é eventual, sempre foi um tormento colocar e depois retirar as pilhas, para evitar vazamentos e a consequente inutilização do soquete.

As pilhas palito vazam mais fácil do que os tamanhos maiores, são mais instáveis e sensíveis ao calor. Pior ainda se pegarem sol, mesmo por pouco tempo.

E essa lanterna é frágil, apesar da articulação interessante (um “click” indica os ângulos pré-definidos do facho de luz). Caiu uma vez e quebrou a tampa do soquete das pilhas.

Daí comprei um farol de bicicleta triplo, feito em alumínio, com luz muito forte e suporte hermético para duas pilhas de lítio 18650 (fig. 3). Só deu dor de cabeça, é tão pesado – 280g com pilhas – que sempre escorrega, mesmo apertando bem. Nem o capacete de ciclista segura ele…

Sempre em busca de algo melhor, encontrei outra lanterna de cabeça num free-shop da fronteira. Aqui no sul o Uruguai é pertinho e podemos visitar nossos hermanos facilmente.

Essa tem célula fotovoltaica e mesmo com pouca luz, o LED de carga liga (fig. 4). A carga é bem lenta, serve mais para manter uma tensão mínima da bateria interna. A lanterna também pode ser carregada na rede elétrica, através de um plugue deslizante lateral (que não está conforme o novo padrão de tomadas no Brasil – NBR 14136).

Usei bastante essa lanterna, funciona até hoje, mas quando caiu – e elas sempre caem – arrebentou a articulação que orienta o facho de luz. Refiz a peça e usei como articulação um perfil de alumínio em U (fig. 5).

O problema é que o interruptor, além de pequeno falha constantemente e a posição desligada no centro é difícil de acertar (fig. 6).

Certo dia, varejando em uma loja de ferragens durante minhas férias, topei com uma lanterna de cabeça recarregável decente. Gostei dela, tinha construção robusta e luz forte. Mas logo a estraguei, porque ficou a carregar por uma noite inteira, esqueci na tomada…

O circuito interno era espartano (fig. 7) e não dispunha de nenhuma proteção para a bateria, após atingir a carga máxima.

Como o LED não queimou, a sequência de eventos até o colapso pode ter sido mais ou menos essa: a bateria totalmente carregada continuou a receber carga, daí aqueceu, estufou e entrou em curto-circuito, o que causou novo aumento da corrente de carga. O curto-circuito protegeu o LED, mas superaqueceu o capacitor de 1uF/250VCA e o levou à falha catastrófica (fig. 8).

A função do capacitor na entrada da alimentação CA é abaixar a tensão da rede elétrica, como se fosse um transformador, mas diferente deste, porque não isola galvanicamente a entrada da saída (ou primário do secundário) e só funciona para baixas correntes.

A falha poderia causar um princípio de incêndio, no entanto os componentes eletrônicos obedecem a muitos requisitos de segurança e suas características construtivas evitam que iniciem ou propaguem chamas. Eles alertam antes, com cheiro forte e/ou fumaça.

Falhas em capacitores de filmes plásticos são muito comuns e geralmente o resultado é a diminuição da capacitância nominal. Para vazar o conteúdo (fig. 9), esses componentes devem ter aquecido muitíssimo, porque fundiram as camadas de dielétrico (folhas plásticas) e armaduras (películas de alumínio vaporizado). Mesmo com os excessos, esses capacitores não entraram em curto-circuito nem explodiram, o que poderia causar um desastre.

Por outro lado, o vazamento identifica claramente o componente defeituoso, sem precisar de instrumentos de medida.

Voltando à última lanterna: ela tem articulação robusta e firme, além de um eficiente refletor, acoplado a um LED grande, de 8 mm (fig. 10). Só que o interruptor tinha os mesmos problemas da lanterna da figura 4, era uma dificuldade ligá-la com as mãos molhadas ou com luvas. Eu tinha que resolver isso…

Uma ideia luminosa

Um dia, ao limpar a caixa de brinquedos, encontrei um capacete de segurança, que havia comprado para meu filho. Era um modelo real, até com código CA (Certificado de Aprovação) dos Equipamentos de Proteção Individual – EPI. E havia custado uma fração do que a loja especializada em brinquedos pedia. O guri gostava dele, porque era “de verdade”…

O capacete está em boas condições e não dispõe de jugular (mais fácil de tirar e colocar). Também pode ser usado por adultos, é só ajustar a carneira (esse nome vem de uma tira, feita de couro de carneiro, que guarnecia internamente os chapéus masculinos).

Foi aí que surgiu a ideia de adaptar a lanterna de cabeça ao capacete.

Lanterna sem complicação, por favor!

Para conseguir uma lanterna leve, que dure muito, custe pouco e seja fácil de usar, estabeleci as seguintes premissas:

– Reciclar (ou reviver) a lanterna de cabeça defeituosa, o capacete e o máximo de componentes associados, vindos de sucata;

– Capacete e lanterna formam uma peça única, sem quaisquer fios soltos ou conectores para outros equipamentos;

– Função liga-desliga somente;

– Interruptor grande, de fácil acesso com qualquer mão e robusto o suficiente para conseguir acionar com luvas grossas;

– Circuito de controle de corrente, com proteção contra inversão de polaridade;

– Pilha de lítio substituível, recarregável, modelo 18650 (igual àquelas das lanternas táticas e dos notebooks mais baratos);

– Proteção contra curto-circuitos, para evitar danos à pilha e princípio de incêndio;

– Carregador externo, que não faz parte do capacete.

Qual pilha usar?

Há alguns anos era comum encontrar nas lojas as lanternas com lâmpadas incandescentes, para pilhas de 1,5V (fig. 11).

O aparecimento do LED branco tornou inviáveis as lanternas de uma ou duas pilhas, porque ele precisa no mínimo de 3V para funcionar.

Construir um conversor para elevar a tensão da pilha aumenta o preço final do produto e diminui a economia de energia obtida com o LED.

Por isso que apareceram as lanternas LED alimentadas por 3 pilhas palito. Ao ligar em série 3 pihas de 1,5V obtemos 4,5V, que é suficiente para garantir um tempo razoável de iluminação. As pilhas ficam montadas em um módulo independente.

O soquete monobloco para 3 pilhas palito aparenta ser uma pilha, inclusive pela posição dos seus pontos de contato. Na verdade, esse soquete poderia ser substituído por uma pilha de mesmo tamanho, que entregue tensão semelhante, como as de lítio.

O problema é que tal soquete não é um padrão bem determinado. A fig. 12 mostra 4 deles, todos usados em lanternas LED. Cada um com uma altura diferente. O diâmetro sempre fica perto de 21-22mm, mas o comprimento pode variar de 50 até 62mm (já considerando as molas dos contatos apertadas).

Poderíamos ter uma pilha de lítio 21500 ou 21600, por exemplo. Pelas informações que consegui, existe a pilha de lítio 18500 ou 21700. Apenas a primeira pode substituir o soquete, acompanhada de um pequeno adaptador plástico (canote).

Lembre-se que o código da pilha de lítio informa as suas dimensões, como abordei AQUI em artigo anterior.

O tamanho 18500 não é fácil de encontrar, o mais comum é o 18650, que foi popularizado pelos notebooks (fig. 13). O pack de bateria de notebook é formado por um conjunto de várias células (pilhas) tamanho 18650, usadas também nos carregadores portáteis (power banks) e lanternas táticas.

Devido à miniaturização e à constante diminuição da espessura, os notebooks mais modernos usam pilhas chatas, em tabletes de formato retangular, semelhantes às embalagens de chicletes. Em termos de padronização de formatos, as pilhas de lítio ainda são uma bagunça.

As pilhas de lítio são ótimas para ligar os LEDs. Apesar de mencionar no invólucro que entregam 3,7V, quando totalmente carregadas exibem 4,2V entre seus terminais (fig. 14).

No entanto, pilhas de lítio têm problemas com a carga ou descarga excessiva: Se a tensão ficar abaixo de 3,2V, podem “dormir” e não aceitar mais carga. E se forem carregadas com mais de 4,3V, podem inchar e explodir, o que é bem perigoso, pois o conteúdo interno é fortemente tóxico e a explosão é flamejante (pega fogo por si mesma, porque o lítio é volátil).

Mais informações sobre as pilhas de lítio, leia outros artigos do Dicas do Zébio, AQUI e AQUI, onde explico melhor os desafios de segurança e mostro a adaptação de uma delas em raquete eletrônica mata-mosquitos.

E baixe DAQUI um completíssimo livro (e-book) sobre pilhas de baterias de lítio, da STA Eletrônica [1], que aborda diversos aspectos, inclusive demonstra os cálculos e as técnicas para montar packs de baterias. A STA representa no Brasil a marca RONTEK de pilhas de lítio.

Durabilidade da pilha de lítio, soquete

Para o uso pretendido, uma só pilha 18650 serve para ligar o LED da lanterna, pois fornece energia suficiente para trabalhar pelo menos 2 horas. A carga baixa 30% nesse tempo, considerando uma corrente de consumo de 60mA.

E nem comprei pilha nova, desmontei um pack de bateria de notebook que me forneceu várias, de ótima qualidade. Esses conjuntos de pilhas geralmente tem poucas pilhas com defeito, as restantes podem estar em condições de uso.

Pode-se tentar carregar cada pilha em separado, se a tensão ficar dentro da faixa de 3,2 a 4,3V, ela poderá ser reutilizada.

Os power banks, se não tiverem maus contatos por causa de quedas, costumam estragar a parte eletrônica e podem tornar todas as pilhas reaproveitáveis.

ATENÇÃO: se você pretende abrir conjuntos de baterias de lítio, lembre-se de fazê-lo com muito cuidado, porque o invólucro é feito de um plástico muito fino e resistente, geralmente montado com encaixes e colado às pilhas, para não ficar batendo. Jamais use ferramentas cortantes, pois poderá criar um curto-circuito! A primeira coisa a remover são as películas auto-adesivas do fabricante, que costumam recobrir tais dispositivos. Elas podem ocultar parafusos e pontos de acesso. Depois, observe os encaixes e vá abrindo aos poucos. Os contatos das pilhas são geralmente unidos por fitas de níquel, soldadas a ponto, é necessário um bom alicate para soltá-las e depois precisa limar bem as rebarbas.

ATENÇÂO REDOBRADA AO GUARDAR PILHAS DE LÍTIO: isole-as, procure evitar a todo custo o curto-circuito. Mesmo quando descarregadas elas tem uma tensão residual e alta capacidade de corrente, principalmente baterias originais. Os fios podem facilmente incandescer e causar um princípio de incêndio, além da perigosa possibilidade de explosão das pilhas, se aquecerem demais.

No comércio local não encontrei os soquetes para pilhas 18650. Tive que encomendar do exterior suportes individuais para essas células (fig. 15). AQUI está o link de onde comprei os meus. Tais suportes não agradaram, pois abraçam com exagero a pilha, é difícil trocá-la sem uma ferramenta. Além disso, os fios de conexão são muito finos e não aguentam a corrente que a pilha pode fornecer.

O suporte para a pilha de lítio pode também ser construído em casa. É relativamente simples adaptar um cano plástico para acomodar uma pilha de lítio, só precisa conseguir uma mola de boa qualidade e um contato para o positivo, melhor ainda se forem de aço inox. O cano que mais se aproxima do diâmetro da pilha 18650 é o cano de água de 25mm. O PVC pode ser serrado e depois moldado com uma pistola de ar quente, para contornar perfeitamente a pilha (fig. 16).

Falando no carregador de pilhas, é outro que comprei lá de fora, (link AQUI). Antes, eu usava um modelo antigo, para 4 pilhas Ni-Cd, que melhorei com a inclusão de temporizador, seleção de corrente e carga individual para cada célula (fig. 17). Funciona há muitos anos, mas é grande e poucas vezes precisei carregar mais de 2 pilhas. Também é barulhento, por causa da ventoinha.

Esse da Liitokala, modelo Lii-PD2, para duas pilhas, carrega individualmente cada uma e ainda informa a situação numa telinha (fig. 18): mostra a capacidade da pilha, a tensão sobre ela, a quantidade de energia disponível e o percentual de carga. Pode ser ligado em veículos e na rede elétrica. Aceita pilhas de Ni-MH, Ni-Cd, íons de lítio e fosfato de ferro-lítio. As 3 primeiras pilhas ele identifica diretamente (tensão nominal de 1,2V e 3,7V), a de fosfato de ferro-lítio (3,2V) precisa escolher logo após a inserção. A corrente de carga é 500mA, mas uma das baias pode carregar opcionalmente a 2A. É um ótimo carregador, de acabamento primoroso. E ainda avisa se a pilha foi montada invertida.

Resolvido o problema da alimentação, vamos tratar do circuito do LED.

Ligação do LED branco

Para ligar qualquer LED sem queimar, sempre é necessário limitar a corrente que passa por ele. Todo LED é um diodo, a diferença é que o LED emite luz e tem uma queda de tensão maior, que varia conforme sua cor. Para começar a conduzir, é necessário ultrapassar essa queda de tensão (ou barreira de potencial), que nos LEDs brancos e azuis começa em 2,5V. Passada a barreira, o LED absorve toda a corrente que o circuito puder fornecer.

Lanternas baratas costumam conectar os LEDs brancos diretamente às pilhas, pois confiam que a tensão delas irá baixar o suficiente para o circuito entrar em equilíbrio. Ocorre que a cada vez que a lanterna é ligada, o surto inicial de corrente sobre os LEDs irá, aos poucos, queimar um por um (o que mais sofre é sempre o LED que tiver a menor barreira de potencial). Pode ocorrer a queima imediata, mas geralmente acontece do LED defeituoso aumentar a sua barreira de potencial a cada surto, até um momento em que a tensão de alimentação é insuficiente para ultrapassá-la e o LED não liga mais.

Para limitar a corrente, o mais simples é usar um resistor. Demonstrei como calculá-lo no artigo LEDs – Como ligar, sem queimar, aqui no Dicas do Zébio.

Com o resistor limitador, haverá perdas devido ao calor emitido, por absorver parte da tensão de alimentação. E a corrente é mais alta com a bateria totalmente carregada, o que obriga a um compromisso entre a duração da carga e o brilho do LED.

Para resolver esses problemas utiliza-se uma fonte de corrente, que estabiliza a corrente, ao invés da tensão.

No artigo citado acima publiquei um circuitinho simples e eficiente para controle de corrente em LEDs e que repito aqui, mais simplificado ainda. Ele aceita amplas faixas de tensão, só depende das características do transistor MOSFET utilizado e do resistor R1 (fig. 19). A próxima seção explica o funcionamento.

Inclusive, diversos drivers de LED utilizam dentro do chip uma tecnologia semelhante, acrescida ou não de outros recursos.

Como funciona a fonte de corrente para LEDs

Imagine a pilha carregada e o interruptor SW1 do circuito da fig. 19 ligado.

O transistor MOSFET Q1 é controlado pela tensão de comporta (terminal G = gate, porta) e a corrente flui entre os terminais S (Source, Supridouro ou fonte) e D (Drain ou Dreno).

Q1 está no caminho da alimentação do LED e tem ligado no eletrodo S um resistor de baixo valor, que vai ao negativo. O LED está entre o positivo da alimentação e o terminal D.

Para começar a funcionar, é necessário que a comporta receba uma tensão entre 2,5V e 10V, isso é garantido pelo resistor R1, ligado diretamente ao positivo da alimentação.

A comporta é controlada por tensão, a corrente sobre ela é desprezível, porque até encostar o dedo nesse terminal é suficiente para energizar o transistor.

Por isso que muitos erram ao testar MOSFETs, como se eles fossem transistores bipolares comuns. Em alguns momentos, o multímetro pode indicar um curto-circuito inexistente entre dreno e fonte, é apenas a condução causada pelo toque dos dedos…

Quando o transistor MOSFET conduz, a ligação entre dreno e fonte é igual a um resistor de baixíssimo valor, com queda de tensão praticamente nula. Portanto, a fonte de corrente com MOSFET quase não tem perda por inserção (somente a queda de tensão sobre R2).

Continuando nossa análise, quando a corrente que atravessa o resistor R2 é suficiente para originar 0,5V entre os seus terminais, o transistor Q2 começa a conduzir, o que diminui proporcionalmente a tensão de comporta e reduz a corrente. O contrário também é verdadeiro, enquanto a corrente não alcançar 0,5V sobre R2, Q2 não atua e Q1 conduz plenamente.

Esse simples comportamento é chamado de fonte de corrente, ou seja, ele garante que a corrente seja sempre igual e constante, em vez da tensão. Se por algum motivo o LED alterar sua barreira de potencial, ou se a fonte mudar o valor da alimentação, o circuito automaticamente compensará a diferença, dentro de certos limites. Assim, o brilho do LED será igual para amplos valores de tensão de alimentação.

Resumindo: o valor de R2 determina e limita a corrente que o circuito deixa fluir.

O capacitor C1 de 220nF funciona como uma “partida suave para o LED”. Ao ligar o interruptor, a tensão sobre C1 é zero, e R1 passa a carregá-lo. O valor de C1 (ou de R1) pode ser aumentado, para aumentar o tempo de carga e perceber esse efeito mais facilmente. O LED só liga a partir do momento em que a tensão de comporta (Vgs) é suficiente para comandar o MOSFET.

Montagem e teste!

Para montar este circuitinho, sacamos de qualquer sucata de placa-mãe de computador ou notebook, um transistor MOSFET de canal N. No meu caso, consegui o 2SK3919, mas há inúmeros outros modelos.

Prefira um transistor que seja acionado por níveis lógicos, porque a polarização de porta precisa de tensão menor para funcionar. Os MOSFETs montados nas placas-mãe geralmente trabalham com níveis lógicos e manejam altas correntes, porque precisam entregar tensões bem baixas para diversos estágios da placa. Deve-se ficar atento que nessas placas há MOSFETS de canal N e P. O 2SK3919 é de canal N, aceita 32A, sob 10V máximos. Baixe a folha de dados dele AQUI.

Além do MOSFET, um transistor NPN de uso geral, como o BC548, 2SC945, 2N2222 ou equivalentes, um capacitor qualquer de 220nF, um resistor de 8,2 ohm e outro de 100K. Devido à utilização de uma só pilha de lítio, não é necessário preocupar-se com a tensão de trabalho dos transistores e do capacitor. R2 é o único componente cujo valor faz bastante diferença: 8,2 ohm corresponde a uma corrente de 0,06A (60mA). Observe a fórmula de cálculo na fig. 19.

O controle de corrente foi montado no modo “aranha” mesmo, sem placa… O circuito é pequeno e a caixa da lanterna tem espaço de sobra. Com uma gotinha de cola quente, já ficou firme no lugar (figs. 20 e 21).

Os fios do LED foram trocados por outros mais grossos, para aguentar algum exagero no uso. Também foram removidos os resistores originais na placa do LED, usados para reduzir a intensidade da luz.

A chave utilizada é grande, do tipo deslizante (H-H), facilmente encontrada em sucatas de aparelhos antigos (fig. 22).

Foram feitos 3 furos na caixa da lanterna e no capacete, por onde passam os parafusos de fixação (fig. 23). Um quarto furo serve de passagem para os fios de alimentação do LED, levados por dentro do capacete até a parte de trás, onde fica a pilha (fig. 24). Isso equilibra o peso e o capacete não tende a inclinar.

Também foi incluído um fusível miniatura junto da pilha (fig. 25), para evitar que um eventual curto-circuito cause um incêndio. Pode parecer exagero, mas não é.

Uma pilha de lítio em curto-circuito é algo extremamente perigoso, porque a capacidade de corrente delas é altíssima. Mesmo descarregadas, elas apresentam uma tensão residual (3,2V mínimos), suficiente para incendiar a fiação.

O capacete na parte de trás é curvo e não tem uma plataforma plana como na frente, então adaptei um calço de espuma de polietileno expandido, cortado no tamanho do soquete da pilha. Essa espuma é bastante resistente aos esforços físicos e não é quebradiça como o isopor. O suporte e o calço foram montados firmemente com abraçadeiras de nylon (fig. 26).

Nas figs. 27 e 28, podemos ver o capacete por baixo e pela lateral, já adaptado e com o suporte ajustável para cabeça (carneira).

Toda a adaptação pode ser vista em detalhes no vídeo abaixo. A velocidade de algumas etapas foi bastante aumentada, para ficar menos cansativo de assistir:

Acesse AQUI um artigo feito por Henrique Jorge Guimarães Ulbrich, de Curitiba, sobre o conserto de uma lanterna de cabeça semelhante à do capacete (o refletor é diferente). O texto foi publicado por Jestine Yong [4], da Malásia, que tem um blog voltado à manutenção de eletrônica, com mais de 3700 postagens, sempre práticas. Vale a pena conhecer.

Faça bom proveito dessas informações e divulgue o DICAS DO ZÉBIO!

Poste um comentário se tiver dúvidas.

Referências

[1] STA-Eletrônica – Download de arquivos pdf – http://www.sta-eletronica.com.br/downloads/download-de-arquivos-pdf

[2] AliExpress – 10 pçs./lote caixa de suporte da bateria 18650 –

https://pt.aliexpress.com/item/32907487280.html

[3] Aliexpress – Carregador Liitokala Lii-PD2 – https://pt.aliexpress.com/item/32890041992.html

[4] Jestine Yong – Battery problem in head lamp retrofitted – https://jestineyong.com/battery-problem-in-head-lamp-retrofitted/

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