Cálculo de circuitos usando LEDs (M081)
Autor: Nilson Bávaro | Publicado: 2017-01-22T17:42:00-02:00



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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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. &nbsp;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 &nbsp;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.



Autor:&nbsp; Newton C. Braga