Design de circuitos de LEDs: como calcular o tamanho da resistência, como proteger os LEDs, quanto tempo uma bateria alimenta um circuito, como calcular a potência da resistência, como ligar os LEDs e muito mais.

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Estes são os LEDs, ou díodos emissores de luz. Se passarmos uma corrente através de um deles, ele produz luz. Mas, se excedermos o seu limite de tensão e corrente, ele será instantaneamente destruído. O LED tem um fio minúsculo no interior, que só pode suportar uma certa quantidade de corrente que passa através dele. Quando olhamos para um LED a ser destruído sob um microscópio, podemos ver o fio minúsculo a explodir no interior. Então, como é que ligamosos LEDs, como reduzimos a corrente para manter os LEDs seguros e por quanto tempo uma bateria alimentará o nosso circuito. É isso que vamos abordar em pormenor neste artigo.

Proteção LED

Para proteger os nossos LEDs, utilizamos uma resistência. A resistência vai dificultar a passagem dos electrões. Os electrões vão colidir e isso vai gerar calor. A resistência vai aquecer e podemos ver isso com uma câmara de imagem térmica. Por exemplo, esta está a mais de 150 graus Celsius a apenas 12V com uma corrente de 6milliamps, por isso definitivamente não queremos tocar nela.

A resistência pode ser colocada em qualquer um dos lados do LED, embora tradicionalmente a instalemos no lado positivo. A razão pela qual pode ser instalada em qualquer um dos lados é porque a resistência está a restringir o número de electrões que irão fluir neste simples circuito em série. A resistência actua como um engarrafamento, reduzindo o número de electrões que podem fluir.A velocidade dos electrões permanece constante, o que muda é o número de electrões que circulam.

Quanto maior for o valor da resistência utilizada, menor será a corrente e, portanto, mais fraco será o brilho do led.

É preciso lembrar que os LEDs só permitem que a corrente flua num sentido. Com o positivo ligado ao cabo longo e o negativo ligado ao cabo curto. Se ligarmos o LED ao contrário, ele simplesmente bloqueará a corrente e o LED não se acenderá. Pode testar o circuito você mesmo, pegue num LED VERMELHO, numa bateria de 9V, numa resistência entre 360 e 390 Ohm, noutra mais altauma resistência de valor entre 3 kilo-Ohms e 9,1 kilo-Ohms e um multímetro.

Estou a usar uma breadboard para isto, o que torna muito rápido e fácil testar circuitos eléctricos, mas também pode simplesmente torcer os fios juntos, pode soldá-los ou usar alguns conectores e tudo funcionará bem para esta experiência simples.

Repare que, se rodarmos o LED, vemos que ele bloqueia a corrente, pelo que não acende. Só funciona num sentido. Se substituirmos a resistência pela resistência de valor elevado de 9,1 kilo-ohm, vemos que o LED fica muito esbatido. Também podemos ligá-los em paralelo para comparar o brilho. Portanto, agora com a resistência de 360 ohm e o LED em série, podemos ligar o nosso multímetro ao circuito,Devemos ver algo entre 17 e 20 miliamperes, dependendo do LED e da resistência que utilizámos. Podemos mudar a posição do LED e da resistência, o que funcionará bem e nos dará a mesma leitura de corrente.

Agora, retire o multímetro do circuito e coloque-o no modo de tensão CC.

Meça através das duas extremidades do circuito e devemos ver cerca de 9 volts. Isto é o que a bateria está a fornecer ao nosso circuito e é também igual à queda de tensão total do circuito. Agora meça através do LED e devemos ver cerca de 2 volts. Esta é a queda de tensão do LED, está a remover dois volts do nosso circuito. Agora meça através da resistência e devemos ver uma queda de tensãopara os restantes 7 volts. Assim, 2 volts mais 7 volts são 9 volts, o que é o mesmo que a nossa bateria. Deve ter reparado que os valores medidos não eram exatamente 2 volts, 7 volts ou mesmo 9 volts. Haverá sempre uma diferença entre o desenho e a medição real. Por exemplo, esta resistência foi classificada para 390 Ohm, mas quando a medimos, é na realidade 386 Ohms. Cada componente, incluindoo seu multímetro terá uma tolerância de erro, que será próxima do valor de projeto mas nunca exatamente esse valor. Para a maioria dos circuitos, como estes simples, isso não importa. Podemos assumir que os valores de projeto estão correctos. Lembre-se apenas que os valores que calculamos serão sempre ligeiramente diferentes das nossas medições reais.

Também precisamos de saber a tensão de avanço, que é basicamente a queda de tensão que medimos anteriormente.

O fabricante fornecerá um gráfico como este, que mostra a corrente de avanço a uma determinada tensão de avanço. Assim, se ligarmos uma fonte de tensão através dos cabos e aplicarmos 2V, devemos ver 20 miliamperes de fluxo de corrente. Se aplicarmos 1,6V, veremos 0 miliamperes porque o LED estará desligado. O gráfico para este LED começa em cerca de 1,7 volts, pelo que sabemos que precisamos de fornecer um mínimo de 1,7 voltspara que o LED comece a acender-se.

Se seleccionarmos o modo de díodo no nosso multímetro e ligarmos o fio vermelho ao ânodo longo e o fio preto ao cátodo curto de um LED vermelho, devemos ver algo como 1,7 Volts, ou seja, a tensão mínima necessária para acender o LED.

A maioria dos LEDs padrão é classificada para uma corrente de 20 miliamperes ou 0,02 amperes. Queremos tentar manter esse valor. Se formos abaixo disso, o LED ficará fraco, se formos muito acima disso, o LED será destruído. Podemos ir acima de 20mA, mas a vida útil do LED diminuirá quanto mais alto formos. Veremos como calcular isso um pouco mais adiante no artigo.

O LED VERMELHO tem normalmente uma queda de tensão ou tensão de avanço de 2 Volts, o que resultará em 20 miliamperes de corrente no nosso circuito. Podemos testar isso com uma fonte de alimentação CC, quando defino a tensão a 2 Volts constantes, vemos 20 miliamperes de corrente. Mas nem todos os LEDs são criados de forma igual, este não atinge 20 miliamperes até que sejam fornecidos 2,1 Volts, e este não atinge 20 miliamperesEsta variação deve-se aos materiais utilizados e também ao processo de fabrico. Por isso, deve sempre tentar utilizar LEDs do mesmo lote e também de fabricantes fiáveis.

Os LEDs são fornecidos em cores diferentes e cada cor tem uma queda de tensão diferente, pelo que terá de testar isto ou pode simplesmente procurar numa tabela de valores típicos como esta.

Os LEDs também existem em muitas cores diferentes e cada cor tem uma queda de tensão diferente. Por isso, terá de procurar estes valores nos dados do fabricante ou pode testá-los você mesmo, ou pode utilizar estes valores típicos destas tabelas padrão, mas podem não corresponder ao LED que tem.

OK, já que o básico foi coberto, vamos seguir em frente e fazer alguns circuitos de exemplo.

Circuitos de LED simples

Digamos que temos uma alimentação de 3 volts e queremos ligar este único LED VERMELHO. De que resistência precisamos? Bem, sabemos que este fio é de 3 volts e este é o nosso fio de terra, que será de 0 volts.

O LED tem uma queda de tensão de cerca de 2 volts, pelo que a nossa resistência precisa de remover a tensão restante. Assim, 3Volts menos 2Volts = 1Volt. Sabemos que o LED precisa de uma corrente de cerca de 20milliamps, pelo que 1 volt dividido por 0,02amps equivale a 50 Ohms de resistência. Certifique-se de que converte os seus miliamperes em amperes para este cálculo. Para facilitar, temos uma calculadora no nosso sítio Web onde pode simplesmenteintroduza os seus valores, verifique isso AQUI .

Digamos que temos uma bateria de 9 volts e queremos ligar um LED amarelo que tem uma queda de tensão de 2 volts e requer 20 miliamperes de corrente. Qual é o tamanho da resistência necessária? Bem, temos uma alimentação de 9 volts, por isso subtraímos 2 volts para o LED e isso deixa-nos com uma queda de 7 volts para a resistência. A corrente é de 20 miliamperes, por isso 7 dividido por 0,02 Amperesé igual a 350 Ohms de resistência.

O problema é que não temos uma resistência de 350 ohm, só temos uma de 330 Ohm ou uma de 390 Ohm. Como vimos anteriormente, temos de garantir que a corrente não excede os 20 miliamperes, por isso temos de calcular qual a resistência mais adequada.

Para isso, basta dividir a queda de tensão necessária de 7 volts pelo valor da resistência de 330 Ohms para obter 0,021 Amperes e, se fizermos o mesmo para a resistência de 390 Ohms, obteremos 0,018 Amperes. Ambos os valores são muito próximos e ambos funcionarão, mas, por segurança, escolhemos a resistência de 390 Ohms, uma vez que o nosso LED durará mais tempo. Também podemos combinar resistências para obter o valor exato de que necessitamos eExplicarei isso mais adiante neste artigo.

Também precisamos de escolher a potência da resistência, que pode ser calculada através da fórmula: Potência = corrente ao quadrado X resistência - assim, 0,018 amperes ao quadrado multiplicado por 390 ohm dá-nos 0,126 watts, pelo que uma resistência de ¼ de watt será suficiente para este circuito.

Quanto tempo é que a pilha vai alimentar o nosso circuito? Digamos que esta pilha está classificada para 500 miliamperes-hora, dividimos este valor pela corrente total do circuito, que neste caso é de 18 miliamperes. Assim, 500 miliamperes-hora divididos por 18 miliamperes dão-nos cerca de 27 horas.

E se quisermos vários LEDs? Uma opção é ligá-los em série.

Neste projeto, a queda de tensão de cada LED será somada, pelo que a queda de tensão total no circuito não deve exceder a da bateria.

Assim, uma pilha de 3 volts só pode alimentar suficientemente 1 LED a 20 miliamperes e uma pilha de 9 volts pode alimentar suficientemente 4 LEDs.

Se ligarmos 4 LEDs e os ligarmos à nossa fonte de alimentação de bancada DC, vemos que eles não se acendem até que a sua tensão de avanço mínima combinada total seja atingida em cerca de 6,3 volts, no entanto, os 20 miliamperes ideais de corrente não serão atingidos até cerca de 8,6 volts. A 9V, a corrente é de cerca de 35 miliamperes, o que é obviamente demasiado elevado, pelo que precisaremos de uma resistência.

Se ligarmos 5 leds, eles só se ligam por volta dos 8,3 volts. Aos 9 volts estão todos ligados, mas a corrente é muito baixa, pelo que os LEDs estão esbatidos, isto porque a tensão não é suficiente para alimentar totalmente os LEDs. Os 20 miliampères ideais só são atingidos aos 10,7 volts neste exemplo.

Assim, podemos utilizar este método, mas estamos limitados pela tensão da bateria.

E se quisermos mais LEDs? Bem, precisamos de os ligar em paralelo.

Podemos colocar uma resistência em cada LED, ou podemos usar uma resistência para alimentar todos os LEDs. Vamos começar com o primeiro exemplo.

Circuito paralelo Resistências individuais

Este design permite-nos utilizar LEDs de cores diferentes, embora seja mais fácil de calcular se forem todos da mesma cor.

Digamos que queremos ligar 6 LEDs a esta bateria de 9 volts. Cada LED tem uma queda de tensão de 2 volts e requer 20 miliamperes. Todo este carril é de 9 volts e todo este carril é de 0 volts. Assim, cada LED receberá 9 volts através dele. Isto é obviamente demasiado, pelo que teremos de colocar uma resistência contra cada LED. Assim, temos 9 volts subtraindo 2 volts para o LED, o que nos deixa com 7 volts. Assim, precisamos deCalculamos o valor da resistência por 7 volts divididos por 0,02 amperes, o que equivale a 350 Ohms. E depois encontramos a potência nominal, pelo que 0,02 amperes ao quadrado multiplicado por 350 Ohms dá-nos 0,14 watts, pelo que será utilizada uma resistência de ¼ watt.

Então, precisamos de somar todas as correntes em cada ramo. Assim, 0,02 amperes multiplicados por 6 LEDs, dá-nos 0,12 amperes.

Uma pilha de 9Volts tem uma capacidade de cerca de 500 miliamperes-hora e o nosso circuito está a utilizar 120 miliamperes, pelo que 500 a dividir por 120 dá-nos cerca de 4 horas de tempo de funcionamento.

Podemos ver que ainda há tensão suficiente em cada ramo para ligar mais LEDs. Digamos que colocamos 3 LEDs em cada ramo. Assim, cada ramo tem uma redução de 6 volts, portanto 9 volts subtraídos de 6 volts é igual a uma queda de 3Volts pela resistência. Assim, 3 volts divididos por 0,02Amps dá-nos uma resistência de 150 Ohm. Repare que a corrente total em cada ramo não aumentou, por isso podemos adicionar mais LEDs até ao máximoé atingida.

Se quisermos utilizar LEDs de cores diferentes, colocamos os diferentes LEDs em ramos diferentes e encontramos a resistência adequada. Por exemplo, podemos ter um LED vermelho, azul e verde.

Cada LED tem o mesmo requisito de corrente de 20 miliamperes, mas o LED vermelho tem uma queda de tensão de 2 Volts, o azul tem 3,4 Volts e o verde tem 3 Volts. A resistência para o LED vermelho é, portanto, 9 Volts subtraindo 2 Volts, o que nos dá 7 Volts, 7 Volts divididos por 0,02 Amperes levar-nos-á a uma resistência de 350 Ohms. O LED azul é 9 Volts subtraindo 3,4 Volts, o que nos deixa com 5,6 Volts, portanto 5,6 Volts divididospela corrente de 0.02Amps deixa-nos com uma resistência de 280 Ohm. E o LED verde será de 9 volts subtrair 3 volts o que nos deixa com 6 volts, 6 volts divididos pela corrente dá-nos uma resistência de 300 Ohm. A corrente total é portanto de 60 miliamperes. Assim a bateria durará cerca de 8 horas.

Resistências comunais de circuito paralelo

A outra forma de ligar os LEDs é ligá-los em paralelo e depois utilizar uma única resistência para limitar a corrente total. Para este projeto, só deve utilizar LEDs da mesma cor ou da mesma potência.

Digamos que temos uma bateria de 9 volts e 3 LED's vermelhos, todos com uma queda de tensão de 2 Volts e cada um deles requer 20 miliamperes de corrente. Assim, somamos as correntes, para obter 60 miliamperes, essa corrente tem de passar por esta resistência.

Agora, como estão ligados em paralelo, todos terão a mesma diferença de tensão entre si. Por isso, calculamos a resistência em 9 Volts, subtraímos 2 Volts e obtemos 7 Volts. Depois, como toda a corrente está a passar por esta resistência, teremos de dividir os 7 Volts pelos 60 miliamperes, o que nos dará uma resistência de 116 Ohms. O cálculo da potência resulta em 0,49 Watts, ou seja, meio Wattserá utilizada uma resistência.

A razão pela qual precisamos de utilizar os mesmos LEDs é porque a diferença de tensão entre eles é de apenas 2 Volts. Por isso, se utilizarmos os mesmos LEDs, todos eles se acenderão. Mas se colocarmos um LED azul no circuito, este requer uma tensão mais elevada que não conseguirá obter, pelo que este LED não se acenderá.

Truques com resistências

Quando lidamos com estes circuitos, muitas vezes descobrimos que o valor da resistência que calculámos não existe ou simplesmente não o temos em stock. Por isso, podemos combinar resistências para obter o valor de que precisamos. Por exemplo, se quisermos uma resistência de 200 Ohm, podemos colocar duas resistências de 100 Ohm em série, ou podemos colocar 2 resistências de 50 Ohms e uma de 100 Ohm. Os valores das resistências somam-se emem série, o que torna muito fácil aumentar o valor da resistência.

Para reduzir o valor da resistência, basta colocá-la em paralelo e depois fazer alguns cálculos para encontrar a resistência equivalente.

Digamos que temos duas resistências de 10 Ohm, calculamos isso utilizando esta fórmula. É muito mais fácil do que parece, basta introduzir isto na sua calculadora e vemos que nos dá 5 Ohms de resistência equivalente.

Duas resistências de 5 Ohm dar-nos-ão 2,5 Ohms de resistência total.

Uma resistência de 200 Ohm e uma de 50 Ohm dar-nos-iam 40 Ohms de resistência.

Três resistências de 10 Ohm dar-nos-iam 3,33 Ohms de resistência.

Leitura de valores de resistências

Como podemos saber o valor de uma resistência? Bem, estas riscas coloridas no corpo indicam-nos o valor, mas temos de o procurar numa tabela. Normalmente, podemos obter resistências de 4 ou 5 bandas, por isso vamos ver alguns exemplos.

Com o tipo de 4 riscas, as primeiras 2 riscas são os dígitos que combinamos, a terceira riscas é o multiplicador e a quarta riscas é a tolerância.

Por exemplo, este resistor de 4 bandas é castanho, preto, castanho, dourado. A banda 1 é igual a 1, a banda 2 é igual a 0, o que nos dá 10. A banda 3 é o multiplicador que é 10, por isso 10 multiplicado por 10 é 100 Ohms. Depois, o dourado tem uma tolerância de 5%. Por isso, pode ser tão baixo como 95 Ohms ou tão alto como 105 Ohms. Quando medimos este com um multímetro, podemos ver 98,2 Ohm, que está dentro da tolerância. Vimos então que oA resistência anterior não era muito precisa.

Se quisermos mais precisão, precisamos de uma tolerância mais pequena, como esta tolerância de 1%, tipo 5 bandas. Com este tipo, as primeiras 3 riscas são dígitos, a 4ª é o multiplicador e a 5ª é a tolerância.

Este é cor de laranja, cor de laranja, preto, preto, castanho. Portanto, este é 3, este é um 3, este é um 0 com um multiplicador de 1, o que nos dá 330 Ohm's e a tolerância é de 1%. Portanto, pode estar entre 327 Ohms e 333 Ohms. Quando meço este com um multímetro, podemos ver que estava a ler 329,9 Ohms, por isso está perfeito.