Olá e bem-vindos ao nosso tutorial onde damos uma vista de olhos a todas as coisas LED. Agora, em primeiro lugar, o que é um LED? LED significa Light Emitting Diode e é um componente electrónico utilizado para converter energia eléctrica em energia luminosa. Este processo é chamado electroluminescência. A tecnologia LED está à nossa volta, indicadores na electrónica de consumo, luzes de travagem para automóveis, ecrãs de TV, quase todos os produtos electrónicos utilizarão LEDs de alguma forma ou forma. A utilização generalizada da tecnologia LED deve-se à eficiência energética, forma compacta, robustez, e facilidade de utilização em comparação com as formas tradicionais de iluminação. Assim, agora que sabemos que são úteis, como funcionam realmente?
Neste artigo, vamos utilizar a teoria e termos básicos de electrónica, por isso, se não estiver familiarizado com a lei de Ohms, voltagem, corrente, e outros termos semelhantes, faça uma leitura rápida do nosso Curso de Crash de Electrónica Analógica primeiro.
Princípio de funcionamento dos LEDs
Um LED, como o nome indica, é um tipo especial de díodo, um que emite energia electromagnética (luz) quando activado. Não vamos descer directamente para a física de nitrogénio por detrás da tecnologia de semicondutores, mas um díodo consiste numa junção P-N. Uma junção P-N é dois materiais semicondutores, um que é processado (“dopado”) para ter um grande número de electrões (N para negativo, pois os electrões são partículas com carga negativa), e o outro que é dopado para ter menos electrões, ou “buracos” onde os electrões faltam (P para positivo como ausência de electrões cria uma carga positiva). Quando uma corrente passa por esta junção, os electrões saltam do lado N para o lado P para preencher os buracos à medida que os electrões se movem no circuito e à medida que os electrões atravessam esta lacuna, a energia é libertada (no caso dos LEDs, energia luminosa). A física de nível inferior é um pouco mais complicada do que isso, mas basta dizer que se pode controlar o comprimento de onda da energia emitida (o comprimento de onda corresponde a uma cor de luz visível) alterando a construção do LED e os materiais utilizados para criar a junção P-N.
Por Utilizador:S-kei – Ficheiro:PnJunction-LED-E.PNG, CC BY-SA 2.5
Fala de cores, os LEDs estão disponíveis numa grande variedade de cores, formas, tamanhos e intensidades (brilho), no entanto, algo que muitas vezes confunde as pessoas é a razão pela qual os LEDs azuis são normalmente mais caros do que outras cores de LED. É devido ao facto de que, enquanto cores como o Vermelho, Verde e infravermelho existem há quase meio século, os LED azuis só existem há uma ou duas décadas porque requerem um material e processo de construção diferente (nitreto de gálio GaN). Hoje em dia, embora se possa obter quase qualquer cor de LED, incluindo LEDs de espectro não visível, tais como infravermelhos (como utilizados em comandos à distância) e ultravioleta.
Construção de um LED
Um LED é um dispositivo bastante simples, consiste num corpo epóxi (transparente ou colorido) com o molde semicondutor no meio ligado a dois fios. As duas pistas de um díodo são conhecidas como Ânodo e Cátodo. O Ânodo do LED é o condutor positivo, e o cátodo é o condutor negativo. Nos LEDs de furo passante padrão, o corpo terá uma extremidade achatada de um lado, o chumbo deste lado é o cátodo e é normalmente também o chumbo mais curto. Os LEDs, tal como os díodos, são dispositivos polarizados, o que significa que só permitirão que a corrente flua numa direcção. Se inserir um LED no seu circuito incorrectamente, este não se partirá, apenas não acenderá.
Por Inductiveload – Trabalho próprio por uploader, desenhado em Solid Edge e Inkscape.., Domínio Público
Então isso é bom de saber e tudo, mas como é que realmente se usa LEDs? Vamos dar uma olhada.
Utilizar LEDs
Embora existam muitos tipos diferentes de LEDs para diferentes aplicações, incluindo iluminação automóvel e doméstica, hoje em dia vamos concentrar-nos especificamente nos tipos de LEDs padrão utilizados em electrónica. Estes LEDs estão disponíveis em várias formas, tais como pacotes de 10mm-3mm através de orifícios, e pacotes SMD, no entanto, o princípio é o mesmo. Ao utilizar LEDs, existem 2 características importantes que precisam de ser consideradas para que possam funcionar correctamente. Como os LEDs são apenas um tipo especial de diodo, muitos dos princípios aqui discutidos aplicam-se também aos diodos.
Por Afrank99 – Trabalho próprio, CC BY-SA 2.0
Voltagem para a frente:
Para que um LED emita luz, é necessário aplicar uma certa voltagem através do LED. Isto é conhecido como a ‘voltagem para a frente’, ou seja, o LED causará uma perda de uma voltagem fixa através dele, e isto é necessário para que a luz seja produzida. Para a maioria dos LEDs, isto situa-se entre 1,7V-3,3V, dependendo da cor da luz emitida (um LED Azul requer uma tensão de avanço mais elevada do que um LED Vermelho).
Corrente de avanço:
Como com um componente electrónico, um LED é uma carga num circuito e quando um circuito é concluído, a corrente flui. A corrente de avanço de um LED refere-se à quantidade de corrente que irá consumir quando funcionar com o brilho pretendido. Para a maioria dos LEDs, é entre 15mA-20mA e é importante tomar nota disto, pois permitir que um LED extraia demasiada corrente irá encurtar drasticamente a sua vida útil (um LED Azul ligado directamente a uma fonte de 12V sem qualquer limitação de corrente será destruído em poucos segundos). Devido à corrente extremamente baixa de absorção vs. brilho, os LEDs estão a substituir as formas tradicionais de iluminação em quase todas as áreas devido à sua eficiência.
Proteger LEDs com uma Resistência Limitadora de Corrente:
Por isso, a corrente e a voltagem para a frente são importantes, por isso, como podemos assegurar que os nossos LEDs estão a ser alimentados de forma segura e eficiente? Bem, uma vez que a maioria das fontes de alimentação vão ser maiores do que a tensão dianteira, e ser cabo de alimentação mais do que a corrente dianteira, precisamos de criar uma carga adicional no nosso circuito, por isso usamos uma resistência.
Se tiver lido o nosso Curso de Crash de Electrónica Analógica, terá uma ideia justa de como funcionam as resistências, mas vamos recapitular rapidamente. Um trabalho das resistências é (você adivinhou) resistir ao fluxo de electrões (corrente), e qualquer carga resistiva provocará uma queda de tensão através dela. Assim, podemos utilizar uma resistência para limitar a corrente fornecida ao nosso LED e calcular a resistência necessária é uma simples questão de aplicar a lei de Ohms: V=IR (Voltagem = Corrente x Resistência). Vamos então escavar!
P>Vejamos as seguintes características de um LED Vermelho típico com uma tensão de 1,8V e uma corrente de avanço de 20mA. Para a simulação, vamos utilizar uma fonte de alimentação de 9V.
Por isso vamos utilizar a lei de Ohms para encontrar o valor de resistência de que necessitamos, por isso reorganizamos a fórmula para ser R=V/I, só precisamos de encontrar a queda de tensão através da resistência e a corrente para nos dar a resistência. Se o LED cair 1,8V através dele, outros 7,2V vão cair através do resto do circuito (a nossa resistência), por isso V=7,8. Visto que queremos limitar a corrente através do circuito a 20mA, I=0,02 (Amps). Assim, agora podemos dividir 7,2 por 0,02 para nos dar: 360. Portanto, precisamos de uma resistência limitadora de corrente de 360 Ohms.
E é tudo o que existe, agora pode calcular o valor da resistência necessária para conduzir qualquer LED. Tente resolver outro problema usando V=IR onde o LED tem uma tensão de 2,2V, uma corrente de 18mA, e a fonte de alimentação é de 12V, e coloque as suas respostas nos comentários abaixo!
Controlar o Brilho
Se quiser ajustar o brilho de um LED, pode aumentar a resistência limitadora de corrente para reduzir a corrente para o LED e reduzir o brilho, no entanto, certifique-se de que não vai abaixo do valor da resistência calculado. Isto é óptimo para fixar permanentemente o brilho, no entanto, ao contrário das lâmpadas incandescentes (globos de luz de estilo tradicional usando um filamento encalhado) não é possível ajustar o brilho apenas alterando a voltagem para o LED. Terá uma resposta estranha e não será uma mudança agradável e suave. Em vez disso, para controlar o brilho de um LED que se usa PWM.
PWM é discutido com mais profundidade nos nossos outros tutoriais, no entanto, o conceito é bastante simples. Liga-se e desliga-se o LED mais rapidamente do que o olho humano pode perceber como flashes individuais, e a proporção de tempo de ligar/desligar numa certa frequência é percebida pelo olho humano como um aumento/diminuição da luminosidade. Para informações mais detalhadas sobre como funciona o PWM, consulte este tutorial DAC para Raspberry Pi.
Usando Múltiplos LEDS: Série vs. Paralelo
Então usar um LED está bem, mas e se quisermos ligar mais do que um LED a uma fonte de alimentação e ter todos eles iluminados? Seria de pensar que podíamos simplesmente ligar um após o outro com uma resistência no final, isto é conhecido como ligação em série. No entanto, se fizermos isto, cada LED tem uma queda de voltagem, o que significa que cada LED consecutivo tem cada vez menos voltagem disponível, o que significa que o LEDS irá ficar cada vez mais escuro à medida que se vai descendo no circuito. O que precisamos de fazer é ligá-los em Paralelo, como mostrado:
Desta forma, cada LED está no seu próprio laço do circuito, e nenhum LED está a receber mais energia do que outro. Mas atenção, digamos que precisa de uma resistência de 360 Ohm para um único LED, como mostrado acima, não pode usar uma única resistência de 360 Ohm para todos os LEDs porque esse valor foi concebido para limitar a corrente a apenas 20mA, mas se tiver vários LEDs ligados em paralelo, o consumo de corrente para eles soma-se, por isso precisamos de recalcular para um consumo de corrente de todos os LEDs combinados.
RGB e LEDs Digitais
Como é excitante e tudo como um único LED de cor, uma grande vantagem dos LEDs é que, devido ao seu pequeno tamanho, é possível combinar vários LEDs num único pacote para criar um LED RGB (Red Blue Green) que cria cores em todo o espectro visível graças à luz aditiva. A utilização destes LEDs é simples, eles têm um chumbo comum (seja o cátodo ou o ânodo) e um chumbo separado para cada cor que pode ser utilizado para controlar cada canal de cor independentemente. Estes são óptimos, mas imagine usar muitos deles e a quantidade de pinos que seria necessário para os controlar. Nos últimos anos, vimos o desenvolvimento de LEDs digitalmente endereçáveis que embalam um LED RGB mais um pequeno chip controlador num pacote padrão e permitem controlar enormes tiras deles com um único pino microcontrolador! Para mais informações sobre estes tipos de LEDs, consulte o nosso tutorial NeoPixels com Partículas.