Aprenda as noções básicas de um controlador de brilho de LED. Neste artigo, aprendemos a conceber e a construir um circuito para controlar o brilho das nossas fitas de LED.

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Este circuito simples permite-nos regular a intensidade das fitas de LED e vou mostrar-lhe como funciona o circuito, como conceber um e até transformá-lo numa placa de circuito impresso com aspeto profissional. AQUI .

Desenhar o circuito

Vou utilizar tiras de LEDs SMD5050, que têm uma necessidade de corrente relativamente baixa e proporcionam um bom nível de iluminação. Estes estão ligados em paralelo, pelo que podemos cortá-los no comprimento pretendido, bastando para isso cortar ao longo da linha de corte marcada. Vou utilizar 81 LEDs divididos em 9 tiras de 9 LEDs.

Para os ligar, basta cortar alguns fios curtos e soldá-los, ligando o positivo ao positivo e o negativo ao negativo, o que nos dará um painel de LED.

Quando o ligamos a uma fonte de alimentação DC com 12 volts, vemos que consome uma corrente de aproximadamente 1,3 Amps. Quando reduzimos a tensão, as luzes ficam mais fracas e a corrente também diminui.

Podemos utilizar um interrutor para os ligar e desligar manualmente, mas podemos utilizar um mosfet, que é basicamente um interrutor eletrónico, para automatizar este processo e ligá-los e desligá-los centenas ou mesmo milhares de vezes por segundo, aplicando simplesmente uma tensão ao pino de ligação.

Vou usar um mofet IRFZ44N porque ele pode lidar com a tensão e a corrente e também tem uma baixa resistência ON da fonte de drenagem.

Para este tutorial, vamos utilizar o Altium designer, que gentilmente patrocinou este artigo. Todos os nossos espectadores podem obter uma avaliação gratuita deste software AQUI.

Encontramos os componentes no site de um fornecedor, estou a usar o mouser, mas pode usar o que quiser. Encontrei o MOSFET, por isso pegamos no número da peça e colamo-lo no carregador de biblioteca, que é um complemento, e clicamos em pesquisar, ele encontra o componente e eu clico em adicionar ao projeto.

Também vou acrescentar alguns blocos de terminais, um para a fonte de alimentação, um para um interrutor e outro para ligar a fita de LED. Ligamos o terminal da fonte de alimentação à terra e, em seguida, o terminal positivo ao interrutor, depois a saída do interrutor ao terminal de LED. Em seguida, o terminal de retorno do LED liga-se ao pino de drenagem do MOSFET. O pino da fonte do mosfet liga-se à terra.

Para controlar o MOSFET vamos usar um sinal de modulação de largura de pulso e podemos usar um simples temporizador 555 para o conseguir. Este é um circuito integrado, o que significa que no seu interior estão vários componentes adicionados para fazer um único componente, o que torna o nosso trabalho como projetista muito mais fácil. O componente tem 8 pinos que são usados para diferentes fins.

Encontramos o componente e adicionamo-lo ao nosso circuito.

Normalmente, o mosfet bloqueia o fluxo de corrente, mas se aplicarmos uma tensão ao pino da porta, ele permitirá que a corrente flua e o LED acenda. Quanto maior for a tensão aplicada, mais corrente é permitida e mais brilhante o LED brilha.

O temporizador 555 fornecerá a tensão ao mosfet, a partir do pino 3. Esta será enviada em impulsos. Cada impulso dura um período de tempo. Durante este período, haverá um segmento em que o sinal está ligado, pelo que é aplicada tensão. E haverá um período em que está desligado, pelo que não é aplicada tensão. O mosfet experimentará, portanto, a tensão média para cada período de tempo. Quanto maior for o impulso ligado, maisQuanto mais alta for a tensão média, mais corrente poderá fluir através do mosfet e o LED brilhará mais. Isto é modulação por largura de impulso, porque estamos a modular a largura do impulso.

Voltando ao temporizador 555.

O pino 8 é a fonte de alimentação dos componentes, pelo que o ligamos à via positiva.

O pino 1 é a terra dos componentes, pelo que o ligamos à terra.

O pino 4 também está ligado à fonte de alimentação, é um pino de reset. Se a alimentação deste pino for interrompida, fará com que o temporizador 555 seja reiniciado. Não queremos isso para este circuito, por isso está constantemente alimentado.

O pino 5 é o pino da tensão de controlo que pode ser utilizado para anular o temporizador. Não o utilizaremos neste circuito, pelo que o ligamos à terra através de um condensador cerâmico de 0,1 micro farad. Isto evita a anulação acidental, filtrando o ruído ou a frequência.

O pino 3 é a saída, que se liga ao MOSFET. Normalmente, apenas uma corrente muito pequena flui através deste pino, mas se o MOSFET falhar, pode consumir uma corrente elevada e destruir o temporizador 555. Por isso, colocamos aqui uma resistência de 1 quilo Ohm para limitar essa corrente e protegê-lo. Quando o MOSFET é ligado, uma pequena quantidade de electrões é armazenada no seu interior, precisamos de os descarregar para desligar o mosfet. Por isso, colocamos um10kOhm depois do 1 kiloohm e ligá-lo à terra. Isto permite que o mosfet descarregue para a terra. Também podíamos usar uma resistência mais pequena, mas esta vai funcionar bem.

No interior do temporizador 555 temos três resistências de 5 kilo Ohm em série entre o pino 8 e o pino 1. Temos cerca de 12V da fonte de alimentação no pino 8. Cada resistência diminui um terço da tensão. Assim, aqui temos 8 volts e aqui temos 4 volts. Estes serão usados como referência.

O primeiro comparador está ligado às resistências através da entrada negativa. A entrada positiva está ligada ao pino 6, o pino de limiar. O comparador 2 está ligado às resistências através da entrada positiva. A sua entrada negativa está ligada ao pino 2, o pino de disparo.

O comparador está agora ligado a duas tensões diferentes, pelo que pode compará-las. Se a tensão de entrada positiva for superior à negativa, emite um sinal alto ou tensão positiva. Se a tensão de entrada negativa for igual ou superior à tensão de entrada positiva, emite um sinal baixo ou tensão zero.

Vamos ligar os pinos 2 e 6 para que a tensão seja a mesma. A saída dos comparadores liga-se a outro componente interno chamado flipflop.

O primeiro comparador liga-se à entrada designada por "reset", o segundo comparador liga-se à entrada designada por "set". Existe também uma saída designada por "not Q". Quando o flipflop recebe um sinal alto do comparador 1, produz um sinal alto. Quando o flipflop recebe um sinal alto do comparador 2, produz um sinal baixo. Se ambos os comparadores fornecerem um sinal baixo, o flipflop permanece inalteradoEste passa então por outro componente chamado inversor, que simplesmente inverte o sinal que lhe é dado.

Se aplicarmos uma pequena tensão de, digamos, 3,9V aos pinos 2 e 6, o comparador 1 emite um sinal baixo e o comparador 2 emite um sinal alto. Isto define o início do intervalo de tempo. O Flipflop emite um sinal baixo. O inversor emite um sinal alto.

À medida que aumentamos a tensão, por exemplo para 6 volts, os comparadores 1 e 2 emitem um sinal baixo, o flipflop permanece inalterado, a temporização continua. Mas, a 8 volts, o comparador 1 emite um sinal alto e o comparador 2 emite um sinal baixo. A saída do flipflop inverte agora e a saída é alta. Isto reinicia a temporização.

A saída do flipflop permanece a mesma até que a tensão diminua para cerca de 4 volts, em que o comparador 1 emite um sinal baixo e o comparador 2 emite um sinal alto, o que faz com que o temporizador arranque novamente.

Assim, vemos que à medida que a tensão nos pinos 2 e 6 aumenta e diminui, a saída do temporizador 555 muda. Assim, para controlar a tensão e, portanto, o intervalo de tempo, ligamos os pinos 2 e 6 a um condensador.

Quando ligamos um condensador a uma fonte de alimentação, ele atinge instantaneamente a tensão da bateria. Mas se o ligarmos através de uma resistência, a resistência atrasa o tempo de carregamento. Quanto maior for a resistência, mais tempo demora a aumentar a tensão armazenada.

Para carregar o nosso condensador, vamos utilizar uma resistência fixa de 1 kiloohm e um potenciómetro de 100 kiloohm. O potenciómetro é uma resistência variável, pelo que podemos variar o tempo de carga do condensador. Precisamos também de descarregar o condensador para reiniciar o temporizador. Por isso, vamos adicionar dois díodos para criar um caminho de carga e descarga separado. A corrente nesta parte do circuito é muito pequenaUtilizaremos dois díodos 1N4148, que têm uma corrente direta de cerca de 300 miliAmps, o que será suficiente para esta aplicação.

O condensador será um condensador cerâmico de 10 nano farad, veremos porquê daqui a pouco. Adicionamos então estes componentes ao circuito, ligamos os díodos à resistência fixa e os díodos aos pinos 1 e 3 do potenciómetro. Depois ligamos o condensador à terra, bem como aos pinos 2 e 6 do temporizador 555 e também ao pino 2 do potenciómetro.

O pino 7 é o pino de descarga, que está ligado ao nosso condensador de temporização. No interior do temporizador 555, a saída do flipflop liga-se ao pino da porta de um transístor interno.

Isto controla o fluxo de corrente do condensador para a terra. Quando a saída do flipflop é baixa, o transístor está desligado, pelo que o condensador se carrega e a tensão começa a aumentar. Quando a tensão aumenta o suficiente para que a saída do flipflop seja alta, o transístor é ligado, o que descarrega o condensador e, assim, a tensão diminui. Quando atinge 4V, o condensador começa a carregarnovamente, quando atingir 8V, descarregará.

Ok, quando a corrente está a carregar flui através da resistência, do díodo e do lado esquerdo do potenciómetro, para o condensador. A saída do flipflip é baixa, pelo que o transístor de descarga está desligado. O pino 3 emite um sinal alto.

Quando o condensador carrega até 8V, a saída do flipflop torna-se alta, o que liga o transístor e o condensador descarrega-se através do lado direito do potenciómetro e do díodo. O pino 3 emite um sinal baixo.

O transístor permanece aberto, pelo que o condensador descarrega até atingir 4V, onde o flipflop inverte novamente, desligando o transístor, o que inicia novamente a temporização. Este ciclo repete-se continuamente. O condensador carrega e descarrega criando uma onda em dente de serra e o temporizador 555 emite uma onda quadrada, que é modulada por largura de impulso.

Se utilizarmos estas fórmulas para calcular os tempos de carga e descarga com o potenciómetro a 50%, verificamos que cada ciclo é de cerca de 0,69 milissegundos, o que nos dá uma frequência de 1,4 quilo hertz. O olho humano consegue detetar luzes a piscar a baixas frequências. As luzes normais em sua casa são normalmente de 50 a 60 Hertz, e nós somosfuncionando a uma frequência muito mais elevada, pelo que podemos utilizar um condensador maior para diminuir esta frequência.

Mas se usássemos, por exemplo, um condensador de 100 microfarads, a frequência seria de 0,14 Hertz e cada ciclo demoraria 7 segundos a completar-se, o que seria bastante inútil.

Ok, então eu construí um protótipo simples para verificar se tudo funciona. Parece estar bem e eu posso ajustar o brilho, então vamos terminar o design da PCB.

Importamos os componentes para o ficheiro de design da placa de circuito impresso e passamos algum tempo a organizá-los em torno da placa. Em seguida, definimos a forma da placa e adicionamos quaisquer anotações. Depois, geramos a rota para ligar tudo. Em seguida, aumentamos a largura da via para as áreas de tensão e corrente mais elevadas do circuito e também verificamos as rotas e movemo-las, se necessário. Quando estivermos satisfeitos, podemos criar o polígono e exportar o nossoficheiros gerber.

Fabrico da placa de circuito impresso

Agora estamos prontos para imprimir a nossa placa de circuito impresso.

Vamos utilizar a JLC PCB para imprimir a nossa placa de circuito impresso, que também patrocinou gentilmente este artigo. Eles oferecem um valor excecional com placas de 5 circuitos a partir de apenas 2 dólares. AQUI.

Não se esqueça que pode descarregar os meus ficheiros de design AQUI.

Depois de alguns segundos, o circuito é pré-visualizado no ecrã. Podemos personalizar o design com cores e materiais diferentes, etc. Mas vou deixá-los como predefinidos e guardá-los no carrinho. Depois, vamos para a caixa, preenchemos os dados de envio e seleccionamos a opção de envio. Quero que seja muito rápido, por isso selecciono o envio expressoque é mais caro, pode escolher os métodos mais lentos para poupar nos custos. Em seguida, submetemos a encomenda e pagamos.

Alguns dias depois, a nossa placa de circuito impresso chega pelo correio. As placas têm um ótimo aspeto, estou muito satisfeito com o resultado.

Então, começamos a soldar os componentes na placa. Começo pelo centro e vou avançando para o exterior. Alguns dos componentes são complicados, por isso usamos alguma fita adesiva para os manter no lugar. E, após alguns minutos, devemos ter uma placa de circuito com um aspeto perfeito.

Agora, vamos ao teste: ligamos as luzes ao terminal e à fonte de alimentação, ligamos o interrutor para ligar a placa de circuitos e, à medida que ajusto o potenciómetro, as luzes aumentam e diminuem de brilho.