Cálculo de circuitos usando LEDs (M081)

 

OS LEDs aparentemente são componentes simples de usar e basta ligar um resistor em série para que seja garantida a emissão de luz num nível desejado. No entanto, a coisa não é tão simples assim e o cálculo do circuito de excitação de LEDs pode ir muito além da aplicação da Lei de Ohm ou coisa parecida. Com base em informações do "Optoelectronics, Theory and Practice" da Texas Instruments, mostramos neste artigo os principais tipos de cálculos para projetos que envolvam LEDs.

 

 

 

Os LEDs se comportam como diodos, apresentando uma baixa resistência quando polarizados no sentido direto. Além disso, a tensão de polarização direta dos LEDs (Vf) varia bastante de dispositivo para dispositivo e com a temperatura dificultando ainda mais seu uso direto.

Tudo isso significa que os LEDs devem ser excitados por circuitos que tenham uma elevada resistência interna.

Diversas são as soluções práticas que temos para alimentar LEDs a partir de circuitos de corrente contínua.

 

AS SOLUÇÕES PRÁTICAS

O caso mais simples de excitação de LEDs utiliza uma fonte de tensão bem mais alta (Vb) que a necessária a excitação do LEDs, fixando a corrente circulante no componente por um resistor em série Rv, conforme mostra a figura 1.

 

Uma maneira mais sofisticada de se fazer a excitação do LED, entretanto faz uso de uma fonte de corrente constante conforme mostra a mesma figura 1 em (b).

 

Analisemos os casos especificamente com os cálculos dos componentes.

 

a) Operação com resistência em série

Uma fonte de tensão, como por exemplo uma bateria em série com um resistor é uma fonte simples de corrente. Neste caso, as flutuações da tensão de trabalho causam uma variação correspondente na corrente contínua IF e consequentemente na potência irradiada do diodo.

Na figura 2 temos curvas que mostram o efeito da resistência em série Rv nas características diretas dos diodos emissores de luz (LEDs).

 

Veja que tensões de trabalho mais altas e resistências mais elevadas em série causam menores variações de potência quando ocorrem variações na tensão de entrada.

 

Na prática Rv é determinada pela tensão predeterminada de trabalho do circuito.

 

Na figura 3 mostramos circuitos típicos de excitação de LEDs com valores dos resistores para as correntes indicadas.

 

b) Operação com fonte de corrente constante:

Utilizando uma fonte de corrente constante na alimentação de um LED temos algumas vantagens no desempenho. Por exemplo, neste caso, as variações da tensão de trabalho não tem efeito na corrente contínua IF no LED e portanto na potência luminosa.

 

Transistores bipolares e transistores de efeito de campo podem ser usados para a elaboração de fontes de corrente constante relativamente simples.

 

Para o caso específico dos transistores de efeito de campo, podemos partir da curva característica deste componente mostrada na figura 4.

 

Na parte esquerda do gráfico vemos que a faixa de resistência, a corrente de saída Ids é fortemente afetada pela tensão Vds aplicada entre o terminal de dreno e fonte.

 

Na parte direita do gráfico, a faixa de correntes de saturação, a corrente de saída Ids somente varia levemente como função da tensão aplicada entre o dreno e a fonte (Vds).

 

Utilizando um circuito com componentes deste tipo é apenas preciso ter cuidado para que o transistor opere nesta faixa  sob quaisquer condições.

Tomemos por exemplo os circuitos mostrados na figura 5.

 

Para estes circuitos são necessários transistores de efeito de campo com uma característica de 5 a 20 mA/V e tensão de "pinchoff" entre 5 e 7 volts.

 

Correntes de 5 a 40 mA, que são necessárias para excitar os LEDs de baixa potência, a tensão necessária de polarização de comporta Vgs estará entre 0 e 5 volts.

 

Nos dois circuitos é necessária que a tensão de polarização Vgs seja obtida automaticamente através do resistor no terminal de fonte.

 

A corrente desejada no diodo pode ser ajustada exatamente pelo trimpot de 250 ohms.

 

Tendo em vista a queda de tensão no trajeto dreno-fonte, que algumas vezes é elevada, a perda de potência no transistor pode tornar-se grande, o que limita suas aplicações a correntes de 40 mA aproximadamente.

 

Fontes de corrente constante utilizando transistores bipolares também podem ser feitas com certa facilidade.

 

Nestes caso, deve-se conectar a base do transistor a uma fonte de tensão de polarização  separada que seja estabilizada com diodo zener, conforme mostra a figura 6.

 

Nos circuitos deste tipo podem ser ligados LEDs em série. A corrente no diodo é calculada pela seguinte fórmula:

 

 

Quando estes circuitos são projetados deve-se ter cuidado para que o transistor opere na região de saturação (Vce? Vbe).

 

O número máximo de diodos que podem ser alimentados pelo terminal do coletor (n) é calculado de acordo com a seguinte fórmula:

 

 

Seguindo estas fórmulas podem ser elaboradas fontes de corrente constante simples a partir de dois transistores. Neste caso, a corrente é novamente determinada pela resistência do emissor RE. Veja figura 7.

 

A tensão base emissor Vbe no transistor T1 que serve ao mesmo tempo como tensão de referência mede a queda de tensão na resistência de emissor e excita o transistor T2. Neste caso, a corrente no diodo é calculada pela seguinte fórmula:

 

 

Se os LEDs operam em equipamentos que estejam sujeitos a grandes flutuações de tensão é interessante estabiliza a tensão de alimentação.

 

Neste caso, os LEDs devem ser alimentados em paralelo, conforme o circuito mostrado na figura 8.

 

Com a finalidade de garantir uma correta divisão da corrente para cada LED, cada um deles possui seu próprio resistor ligado em série.

 

A corrente nos LEDs (IF) está determinada pela tensão de emissor do transistor e pela resistência em série Rv que será calculada pela seguinte fórmula:

 

 

Tendo em conta que neste circuito todos os anodos dos LEDs estão no potencial de terra, se necessário eles podem ser até montados em radiadores de calor sem necessidade de isolamentos.

 


Driver a Partir de Circuitos Lógicos

Nos circuitos digitais os LEDs devem ser comutados passando do estado ON para OFF (HI para LO) comandados por sinais digitais. Neste caso, os circuitos devem ser projetados de tal forma que os sinais digitais possam ser usados diretamente. O circuito da figura 9 é um exemplo que permite a excitação de LEDs por saídas TTL.

 

O diodo é conectado no circuito mostrado no emissor do transistor. Assim, deve existir na base do transistor uma tensão de pelo menos para que flua corrente pelo LED:

 

Vb = VF+Vbe = 1,6 + 0,7 = 2,3 V

 

A tensão correspondente de entrada, antes dos diodos D1 e D2 deve ser então:

 

V1 = Vb - Vd = 2,3 - 0,7 = 1,6 V

 

Dado que nos circuitos TTL, VILmax  é menor que 0,8 V e VIHmin é maior que 2,9 V, o circuito é perfeitamente compatível com esta tecnologia. A corrente contínua no diodo é calculada pela seguinte fórmula:

 

 

Tendo em conta que IcIb, o cálculo pode ser simplificado para:

 

 

Para excitar o transistor com a menor corrente possível, dentro do permitido pela região de saturação, o cálculo  se baseia num ganho de corrente hfe?30.

 

Temos então Rb=3,9 k ohms, e a corrente de entrada do circuito fica limitada a um valor inferior a 1 mA o que corresponde a um fan-in = 1.

 

Da mesma forma, podem ser elaborados circuitos compatíveis com outras famílias lógicas.

 

Na figura 10 temos um exemplo de circuito projetado para excitar elementos da família HIL300.  Tendo em vista a possibilidade de se admitir grandes flutuações da tensão de trabalho (neste caso Vb-10,5 a 16,5V), não é necessário ajustar a corrente no LED por meio de uma resistência em série.

 

O circuito da figura 10 é semelhante ao da figura 7. O diodo zener na entrada do circuito adapta a tensão do umbral Vth na entrada para os valores correspondentes da família lógica e é calculado por:

 

Vth = Vre + Vbe2 + Vd3- Vd1/2

 

Vth = 0.7 + 0,7 + 6,2 - 0,7 = 6,9 V

 

A corrente máxima possível no diodo é determinada pela perda de potência no transistor:

 

 

A resistência de emissor é então:

 

 

Da mesma forma, os LEDs podem ser excitados diretamente a partir de circuitos integrados TTL. Os tipos 7416 e 7417 podem fornecer uma corrente de saída de 40 mA são particularmente apropriados para esta aplicação. Neste caso, a corrente está determinada mais uma vez pelo resistor em série conforme mostra a figura 11.

 

A corrente é calculada pela fórmula:

 

 

Em princípio, também é possível conectar LEDs entre a saída do integrado e a terra, se o circuito possuir uma saída inversora totem-pole), como mostra a figura 12.

 

A corrente é então determinada pela arquitetura interna do circuito integrado.

 

Na figura 13 mostramos parte do circuito da porta 74LS37N que determina a corrente de saída.

 

A corrente através do LED é agora calculada pela seguinte fórmula:

 

 

Novamente, dois pontos importantes devem ser observados neste circuito: primeiramente, as tolerâncias do resistor R que é de  30% de tal modo que os valores só podem ser conseguidos com dificuldade. Em segundo lugar, a potência máxima de dissipação permitida para o CI é de 60 mW (invólucro de 14 pinos).

Séries de correntes mais elevadas podem ser usadas.

 

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