Como exemplo será usado o LED R05WCE-01 da marca Cosonic, é branco, com 5mm de diâmetro e todas as contas aqui citadas podem ser usadas com LED's de qualquer potência.
1-O datasheet do LED:
Clique na imagem para ampliar, pode ser baixado do site do fabricante:
Do datasheet, além dos dados ópticos, o qual não vou entrar em questão, há duas tabelas: a de "Absolute Max Ratings" e a "Electrical Optical Characteristics".
De acordo com a JEDEC Standard No. 282B, uma norma que trata sobre diodos semicondutores, explicita metodologias de teste, nomenclatura e formato de datasheets para diodos, a primeira tabela trata sobre Maximum ratings, que significa:
"Maximum ratings are those which, if exceeded, may cause permanent damage, or introduce latent failure mechanisms within the device."
Ou seja, o LED pode ser destruído caso Qualquer uma das especificações desta tabela sejam excedidas, além disso, não é recomendável trabalhar com o LED em condições operacionais próximas das especificadas, já que isto diminui a vida útil do LED.
Na próxima tabela, a Electrical Optical Characteristics, há resultados de alguns testes realizados sobre uma amostra de LEDs, o resultado de alguns desses itens da tabela pode ser usado convenientemente, afim de se ajudar na extração do modelo do LED a ser utilizado.
Da primeira tabela a Absolute Max Ratings, tiramos as seguintes limitações, supondo LED azul:
If=30mA => Significa o máximo de corrente que o led pode consumir sem problemas.
Vr=5V => Máxima tensão reversa, é reversa, ou seja é uma tensão sobre o LED polarizado reversamente, isto é, exemplo, Catodo em 30V e Anodo em 0V excede Vr.
Na segunda tabela, selecionando o LED escolhido vem:
Forward voltage: typical 3,2V, Maximum 3,6V, para corrente If=20mA, isto é corrente If=forward, led polarizado diretamente.
Este datasheet, ao contrário dos encontrados em diodos e certas marcas de LED's, é bastante pobre de informações, e datasheets assim são bastante frequentes para os fabricantes chineses, logo com apenas estas informações, o modelo de LED gerado não terá todas as informações, mas para a maioria dos casos, estas informações já são suficientes.
De um modelo simples de diodo em pequenos sinais e baixa frequência podemos tirar a seguinte representação, que já é mais que suficiente para os casos aqui listados:
Como não há outro ponto de If dado, nem gráfico de If x Vf, não é possível obter o valor de Rd, mas ele será pequeno, da ordem de miliohms, e para os casos aqui considerados pode ser considerado nulo.
Para o LED polarizado diretamente sobra o valor de Vt que é o Vf, desde que a corrente seja a indicada If, como o o Rd é no caso nulo, a tensão de polarização direta fica sendo como Vf típico (3,2V) para qualquer corrente, desde que If<30mA.
Circuito 1: Resistor em série:
Veja o circuito, considerado ligando numa fonte de tensão DC ideal:
V1-I1.R1-Vf=0
Resolvendo para R1:
R1=(V1-Vf)/I1
Para a corrente:
I1=(V1-Vf)/R1
O LED está polarizado diretamente, então de acordo com o modelo, Vf=3,2V.
A corrente deve ser uma tal que o LED tenha o brilho esperado, adotamos inicialmente então 20mA, o valor em que o LED pode operar continuamente, já que está bem abaixo do máximo.
Como exemplo, pegamos V1 uma bateria instalada num carro, que pode ter tensões aproximadamente entre 14.4V e 12V, com o menor valor, 12V, escolhemos um resistor tal que a corrente seja a escolhida:
Obtemos 440 ohms, o valor comercial mais próximo é 470ohms,
Com o resistor comercial obtemos 18,72mA @ 12V e para um resistor de tolerância 5%, no pior caso, onde o resistor terá resistência de 470*0.95=446,5 ohms e a bateria estará com 14,4V, a corrente sobre o LED será 25,08mA.
Para 25,08mA o LED ainda pode operar, ou seja, o dimensionamento está correto e ainda não excede o máximo, ou seja, o resistor de 470ohms pode ser colocado no circuito.
Calculemos então a potência que o resistor irá dissipar em forma de calor para o pior caso:
P=(V1-Vf)²/R ,o caso é o pior possível, logo P=(14,4-3,2)²/446,5=0,28W
Observe que um resistor CR25, que pode dissipar até 0,25W não pode mais ser usado, logo o escolhido será um resistor CR50 de 1/2W.
Qual o rendimento deste limitador de corrente para 12V? a potência consumida é
Pcon=12V*18,72mA=224,64mW
Enquanto isso a potência enviada ao LED é Pled=3,2V*18,72mA=59,90mW, isto é, n=27%
Observe que o rendimento disso é péssimo, a maior parte da potência está aquecendo o ar.
Como usar um resistor CR25 para esse mesmo sistema? Refaça todas as contas, mas use uma corrente menor, como por exemplo 15mA.
Para esse caso R=560 ohms (comercial), Pd=224mW (pior caso), dentro da dissipação máxima do CR25 (no limite, com baixa vida útil).
Use a seguinte série para encontrar valores comerciais, tais valores derivados da série E12 abaixo são achados em qualquer pequena loja de componentes:
10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82
Exemplos: 4,7ohms, 47ohms, 470ohms, 4,7k ohms, 47k ohms, 470k ohms, 4,7M ohms
Veja mais séries comerciais em: http://www.logwell.com/tech/components/resistor_values.html
Para resistores CR12, CR25, CR50 e CR100 (5%, carbono) são usadas a E12, para MF25 (1%, metal film) a E96 ou E192.
Resistores de 10W e 20W de fio são certamente encontrados na série E6, para 5W (fio) e 3W (fio e carbono) vale a E12.
Circuito 2:resistor em série e LED's em série:
Uma configuração bastante parecida com a anterior pode ser adotada, afim de se diminuir o número de resistores e também aumentar o rendimento.
I1=(V1-Vf1-Vf2-Vf3)/R1=(V1-3.Vf)/R1
R1=(V1-3.R1)/I1
Obtemos para V1=12V, R1=180ohms
A corrente será para esse caso:
I1min=13,3mA
I1max=26,6mA
A potência dissipada em R1 no pior caso (maior dissipação de potência no resistor) é:
Pled=3*3,2V*26,6mA=255,36mW
Pcon=14.4V*3*26.6mA=383,04mW
n=67%
Observe que com este Pd é possível se utilizar um resistor de 1/4W para o R1, e o rendimento é bem melhor que o anterior, mas com uma corrente próxima da máxima para o pior caso, além do problema de que um único led problemático apaga os demais.
Circuito 3: Regulador de corrente com LM317T:
O próximo circuito elimina o problema de flutuação na corrente para tensões de alimentação variáveis, como o caso da bateria anterior.
O LM317 é um típico regulador de tensão regulável, o datasheet do mesmo, com diversas aplicações pode ser visto em:
A tensão de referência deste regulador é de 1,25V entre o terminal de ajuste e a saída, a utilização desta referência de forma a fazer com que a tensão sobre um resistor em série com a carga se mantenha constante faz com que a corrente também seja constante, como na próxima figura:
I1=Vref/R1
Exemplo: I1=400mA Utilizando Vref=1,25V:
R1=3,125ohms ,
Para R1=3.3ohms, I1=379mA
Potência dissipada no resistor: Pr1=(0,379A) ².3,3 ohms=0,47W
Supondo LED com Vf de 3,6V:
Potência máxima dissipada no regulador: P2=0,379A*(14.4-3.6)V=4,09W
Observe que será necessário usar um dissipador (verifique a temperatura final sem dissipador), e este regulador com o LM317 faz com que a potência dissipada sobre o resistor seja menor, diminuindo o custo do resistor e também fazendo com que a corrente sobre o resistor se mantenha constante mesmo com variações de tensão em V1.
O circuito acima pode ser utilizado com leds de 1W, 3W, 5W, desde que a corrente não exceda a máxima do regulador, a temperatura da junção seja menor que 150°C (dimensionamento térmico correto), além de que a tensão entre os terminais do regulador não exceda a máxima (37V).
Circuito 4: Regulador de corrente com transistor PNP:
Um outro circuito que pode também ser utilizado, mas com componentes discretos é a fonte de corrente do circuito a seguir.
Neste circuito, a fonte de referência são os diodos D1 e D2, mas que poderão ser substituídos por um zener, afim de se melhorar a regulação de corrente.
Usando Vd como a tensão de referência, temos:
Vr1+VBE-VD=0, como Vr1=IE.R1
e VBE é tipicamente 0,7V
(consulte o datasheet do transistor) e VD=1,3V IE=0,6/R1
Nesse caso, para um transistor com hfemin=200, IC=0,99IE,
logo a corrente sobre D3 será aproximadamente IC=0,6/R1 [A]
Para o D1 e D2 que são referência, a modelagem faz com que o Rd da associação seja ainda pior, já que estão em série, fazendo com que esta referência sofra uma alteração da sua tensão devido à tensão de alimentação, consequentemente, a corrente sofre um aumento com o aumento de V1.
Abaixo é mostrado o circuito Spice de uma simulação deste regulador, para tensões de 8 a 16V e calculado para uma corrente de 180mA.
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* Exemplo de circuito com LED Spice 3f4
*
* Regulador de corrente com transistor
*
* Arao H. Filho - 2010
* Fontes
VCC 1 0 DC 7.0
* Resistores
R1 1 3 3.3
R2 2 0 270
RL 4 0 1
* D: A-C
D1 1 5 DMOD
D2 5 2 DMOD
* PNP: C B E
Q1 4 2 3 QPNP
* MODELOS
* 1N4148, RS tirado do grafico 3 @ 25°C
.MODEL DMOD D(RS=1)
* BF minimo
.MODEL QPNP PNP BF=40 level=1
* Analises
.DC VCC 8.0 16 0.5
.END
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Para este circuito, afim de se mostrar o funcionamento, foi utilizado no lugar do LED um resistor RL de 1ohm, isto é, a tensão lida em Volts significa o valor numérico da corrente sobre este elemento em Ampéres.
Foi feita uma análise DC sweep, fazendo com que a tensão V1 variasse de 8V até 16V, mostrando o valor da "corrente" obtida em V4, os resultados são mostrados a seguir, para D1 e D2 modelados como um 1n4148.
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Index v-sweep v(4)
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0 8.000000e+00 1.760933e-01
1 8.500000e+00 1.784080e-01
2 9.000000e+00 1.805242e-01
3 9.500000e+00 1.826092e-01
4 1.000000e+01 1.846254e-01
5 1.050000e+01 1.865800e-01
6 1.100000e+01 1.884804e-01
7 1.150000e+01 1.903326e-01
8 1.200000e+01 1.921418e-01
9 1.250000e+01 1.939122e-01
10 1.300000e+01 1.956476e-01
11 1.350000e+01 1.973511e-01
12 1.400000e+01 1.990257e-01
13 1.450000e+01 2.006737e-01
14 1.500000e+01 2.022972e-01
15 1.550000e+01 2.038982e-01
16 1.600000e+01 2.054783e-01
Houve uma variação na corrente com a variação de tensão, mas para aplicações de LED, isto não representa um grande problema, sendo um circuito que poderá ser utilizado como um regulador de corrente nesses casos.
Para este regulador, a potência dissipada sobre o resistor R1 é ainda menor que o regulador construído para a mesma corrente com o LM317.
Por enquanto é só isso, comente!
1 comentários:
Aeee! Grande Arao. Esta é a solução para todos os meus problemas de gambiarras com Leds, hehehheh
Grande abraço e parabens pelo Blog
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