LED_circuits

LED Circuits

O nosso objectivo aqui é fornecer uma visão geral dos tipos básicos de circuitos usados para alimentar os LEDs. Os diagramas de circuito, ou esquemas, que se seguem são desenhados usando símbolos eletrônicos padrão da indústria para cada componente. As definições dos símbolos são as seguintes:

O símbolo do LED é o símbolo padrão para um diodo com a adição de duas pequenas setas que indicam a emissão (de luz). Daí o nome, diodo emissor de luz (LED). O “A” indica o anodo, ou mais (+) conexão, e o “C” o catodo, ou menos (-) conexão. Já o dissemos antes, mas é preciso repetir: Os LEDs são dispositivos estritamente DC e não funcionam com corrente alternada. Ao alimentar um LED, a menos que a fonte de tensão corresponda exatamente à tensão do dispositivo LED, um resistor “limitador” deve ser usado em série com o LED. Sem este resistor limitador, o LED queimaria instantaneamente.

Em nossos circuitos abaixo, usamos o símbolo da bateria para indicar uma fonte de energia. A energia poderia ser facilmente fornecida por uma fonte de alimentação, ou por uma pickups de roda da pista em um layout. Qualquer que seja a fonte, o importante é que ela deve ser DC e bem regulada para evitar flutuações de sobretensão causando danos aos LEDs. Se a fonte de tensão for fornecida por captadores de via, um retificador de ponte deve ser usado para garantir que os LEDs só recebam CC e polaridade imutável.

Os símbolos do interruptor são bastante simples. Um interruptor de um pólo, de uma só linha (SPST) é simplesmente uma função on-off, enquanto o interruptor SPDT (double-throw) permite o encaminhamento entre dois circuitos diferentes. Ele pode ser usado como um interruptor de um só fio se um dos lados não estiver conectado a nada. O botão é um interruptor de contato momentâneo.

O símbolo do condensador que estamos usando aqui é para o tipo eletrolítico ou polarizado do condensador. Ou seja, ele deve ser usado em um circuito DC e conectado corretamente (mais a conexão à tensão mais), ou ele será danificado. Para os nossos objectivos, é utilizado para armazenamento momentâneo, para ajudar a “suavizar” flutuações na tensão de alimentação causadas por pequenas perdas, à medida que as rodas apanham a energia a rolar através de pontos sujos na pista ou de falhas nas curvas. Os condensadores polarizados são graduados por diferentes valores máximos de tensão DC. Use sempre um capacitor que exceda com segurança a tensão máxima esperada em sua aplicação.

O circuito básico

Isto é o mais simples que se pode fazer. O circuito de LED único é o bloco de construção no qual todos os nossos outros exemplos se baseiam. Para o funcionamento correto, três valores de componentes devem ser conhecidos. A tensão de alimentação (Vs), a tensão de operação do dispositivo LED (Vd) e a corrente de operação do LED (I). Com estes conhecidos, usando uma variação da Lei de Ohm, pode ser determinado o resistor limitador correto (R). A fórmula é:

Um exemplo de como trabalhar com esta fórmula pode ser encontrado na nossa página de dicas de cablagemBridge. Revise o passo 7 para mais detalhes.

No esquema acima, temos tanto o resistor limitador como o interruptor ligado no lado positivo (+) do circuito. Nós fizemos isso para ser consistente com as “práticas elétricas padrão” no trabalho com o lado “quente” (mais) do circuito ao invés do lado “menos” (-), ou “terra”. O circuito funcionaria adequadamente de qualquer forma, mas as práticas de segurança padrão recomendam a “desconexão” no lado “quente” para minimizar a possibilidade de curto-circuito elétrico de fios para outros circuitos “aterrados”.

Circuits com dois ou mais LEDs

Circuits com múltiplos LEDs se enquadram em duas categorias gerais; circuitos com fios paralelos, e circuitos com fios em série. Um terceiro tipo conhecido como circuito série/paralelo é uma combinação dos dois primeiros e também pode ser bastante útil em projetos de modelagem.

As regras gerais para circuitos de LEDs paralelos e em série podem ser declaradas da seguinte forma:

1. Em um circuito paralelo, a tensão é a mesma através de todos os componentes (LEDs), mas a corrente é dividida através de cada um.

2. Em um circuito em série, a corrente é a mesma, mas a tensão é dividida.

3. Num circuito em série, a soma de todas as tensões dos LEDs não deve exceder 90% da tensão de alimentação para garantir uma saída estável da luz LED.

4. Num circuito em série, todos os LEDs devem ter as mesmas propriedades de tensão (Vd) e corrente (I).

O circuito de LEDs com fio paralelo

Mostrados acima são dois exemplos do mesmo circuito. A figura 1, à esquerda, é uma representação esquemática de três LEDs ligados em paralelo a uma bateria com um interruptor para os ligar ou desligar. Você vai notar que neste circuito, cada LED tem seu próprio resistor limitador e o lado da tensão de alimentação destes resistores são conectados juntos e roteados para o terminal da bateria mais (através de um interruptor). Observe também que os catodos dos três LEDs são conectados juntos e roteados para o terminal negativo da bateria. Esta ligação “paralela” de componentes é o que define o circuito.

Se tivéssemos que construir o circuito exatamente como mostrado na Figura 1, com fios conectando os dispositivos da maneira que o esquema mostra (fios de jumper entre as resistências, e fios de jumper entre as conexões catódicas), precisaríamos considerar a capacidade de transporte de corrente do fio que escolhemos. Se o fio for muito pequeno, pode ocorrer sobreaquecimento (ou mesmo derretimento).

Em muitos casos ao longo deste website mostramos exemplos de LEDs com fios usando o nosso fio magnético #38 revestido. Nós escolhemos este tamanho de fio por razões muito específicas. Ele é pequeno o suficiente (,0045″ de diâmetro incluindo revestimento de isolamento) para parecer protótipo como fio ou cabo na maioria dos projetos, mesmo em Escala Z, e é grande o suficiente para fornecer corrente para dispositivos de iluminação 20ma (como nossos LEDs) com um fator de segurança extra de 50%. Como especificado, o fio de cobre sólido #38 tem uma classificação nominal de 31,4ma e uma classificação máxima de 35,9ma. Nós poderíamos ter selecionado o fio #39, com um valor nominal de corrente de 24,9ma, mas sentimos que isso não permitiria com segurança flutuações nos valores das resistências ou variações individuais dos LEDs. Além disso, o diâmetro ligeiramente menor (.004″ em vez de .0045″) provavelmente não faria uma diferença notável na modelagem.

Voltando à Figura 1; você pode ver neste exemplo a necessidade de corrente para cada par LED/resistor, adiciona ao próximo, e segue a regra de circuito paralelo (#1) acima. Nós não poderíamos usar com segurança o nosso fio magnético #38 para todo este circuito. Por exemplo, o jumper do catodo de LED inferior para o terminal negativo da bateria estará carregando 60ma. O nosso fio sobreaqueceria rapidamente e possivelmente derreteria causando um circuito aberto. Por este motivo, a Figura 1 é apenas uma maneira fácil de “esquematicamente” representar como os componentes devem ser conectados para o funcionamento adequado do circuito.

Na vida real, nosso projeto real de fiação pareceria mais com a Figura 2. Neste caso, podemos usar com segurança nosso fio #38 para tudo, exceto a conexão entre o terminal de mais bateria e o switch. Aqui, precisaríamos de pelo menos fio #34 (79.5ma nom.), mas provavelmente usaríamos algo como o fio de enrolamento isolado #30 do Radio Shack. É barato, está prontamente disponível, e irá transportar 200ma (especificação nominal). Bastante grande o suficiente para a nossa aplicação. Também, nós provavelmente não soldaríamos os três resistores juntos em uma extremidade como já mostramos, nós apenas usaríamos outra parte daquele #30 para conectar suas extremidades comuns e ao switch.

Modelos de layouts de ferrovia podem se tornar eletricamente complexos envolvendo todos os tipos de requisitos de fiação para coisas como energia da via, comutação, iluminação, sinalização, DCC, etc.; cada um com diferentes necessidades potenciais de corrente. Para ajudar no seu planejamento para tais coisas, uma tabela de tamanhos comuns de fio (cobre sólido de fio simples) e suas capacidades de transporte de corrente está disponível em nenhum lugar.

O circuito de LEDs com fio em série

Este circuito é um circuito simples em série para alimentar três LEDs. Você vai notar duas diferenças principais entre este e o circuito paralelo. Todos os LEDs partilham uma única resistência limitadora, e os LEDs são ligados anodo-a-cathode de forma “daisy-chained”. Seguindo a regra #2 acima, a fórmula que vamos usar para determinar nosso resistor limitador é uma variação adicional da fórmula que usamos acima. A fórmula da série para o circuito acima seria escrita da seguinte forma:

A única diferença real aqui, é que o nosso primeiro passo é adicionar as tensões do dispositivo para o número de LEDs que estamos usando juntos, depois subtrair esse valor da nossa tensão de alimentação. Esse resultado é então dividido pela corrente dos nossos dispositivos (tipicamente 20ma ou .020). Simples, sim? Lembre-se também de considerar a regra #3. Ou seja, multiplique a sua tensão de alimentação por 90% (0,9), e certifique-se de que a soma de todas as tensões dos dispositivos (LED) não excede esse valor. Isso é tudo, quase…

Precisamos saber que tipo de fio vamos usar, então que tipo de corrente podemos esperar deste tipo de circuito? Bem, no circuito paralelo acima, para três LEDs a 20ma cada, estaríamos a consumir 60ma na bateria. Então… 60ma? Não. Na verdade, um pouco menos de 20ma para os três LEDs! Vamos chamar-lhe 20 para simplificar.

Outra forma de declarar as regras 1 e 2 acima seria:

1. Num circuito paralelo, a tensão do dispositivo é constante, mas a corrente necessária para cada dispositivo é somada para a corrente total.

2. Num circuito em série, a corrente do dispositivo é constante, mas a tensão necessária é a soma de todas as tensões do dispositivo (somadas em conjunto).

Vamos trabalhar com alguns exemplos usando uma bateria de 9 volts (ou fonte de alimentação):

Exemplo #1

Queremos ligar dois dos nossos LEDs 2×3 Super-brancos em série.

1. Primeiro, nós determinamos a tensão do dispositivo, que é de 3,6 volts e adicionamos juntos para dois LEDs (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Agora temos esta quantidade, vamos garantir que não viola a regra #3. 80% de 9 volts é 7.2 volts (.8 x 9 = 7.2). As quantidades são iguais. Não estamos acima de 90%, então podemos prosseguir.

3. Próximo, subtraímos esta quantidade de 7,2 da nossa tensão de alimentação (9 volts) e obtemos o resultado que é 1,8 (esta é a parte Vs-Vd).

4. Então, dividimos 1,8 pela corrente do nosso dispositivo que é 20ma, ou .02. A nossa resposta é 90. Como um resistor de 90 ohm não é padrão, vamos escolher o próximo valor mais alto (100 ohms). Esta resistência ligeiramente superior não fará qualquer diferença no brilho dos LEDs.

5. Finalmente, uma vez que o nosso desenho actual é apenas 20ma total, poderíamos usar o nosso fio #38 para tudo, se quiséssemos.

Exemplo #2

Quero ligar quatro dos nossos Micro LEDs vermelhos em série. Que resistor devemos usar?

1. Averiguamos que a tensão do dispositivo seja de 1,7 volts. Para quatro LEDs seria 6,8 volts (4 x 1,7 = 6,8).

2. Agora temos esta quantidade, vamos ter a certeza que não viola a regra #3. 90% de 9 volts é 7.2 volts (.8 x 9 = 7.2). E, 6,8 é menos que 7,2. Sim, estamos OK.

3. Próximo, subtraímos esta quantidade de 6,8 da nossa tensão de alimentação (9 volts) e obtemos o resultado que é 2,2 (esta é a parte Vs-Vd).

4. Finalmente, dividimos 2,2 pela corrente do nosso dispositivo que é 20ma, ou .02. Nossa resposta é 110. Acontece que 110 ohms é um valor de resistência padrão, portanto não temos que escolher o valor mais alto disponível (nunca escolha um valor mais baixo!). Vamos usar um resistor de 110 Ohm 1/8 watt 1%.

Exemplo #3

Queremos ligar três dos nossos LEDs Micro Super brancos juntos em série.

1. A voltagem do dispositivo é de 3,5 volts. Então para três LEDs será 10,5 volts, e… temos um problema. Esta quantidade não só viola a regra #3 acima, como também excede a nossa tensão de alimentação. Neste caso, os nossos LEDs nem sequer se acendem. Nesta situação, se precisarmos de três desses LEDs, ou precisaremos de uma fonte de alimentação que forneça pelo menos 11,67 volts (isso é o que 10,5 seria 90%), ou teremos que conectar apenas dois em série e o terceiro separadamente, com sua própria resistência (um circuito em série/paralelo, mas mais sobre isso em breve). Neste caso, teremos dois tipos de circuitos ligados em conjunto numa fonte de energia comum. O esquema apareceria da seguinte forma:

Aqui novamente, podemos usar o nosso fio #38 para tudo excepto a ligação entre a fonte de alimentação e o interruptor. Para determinar que resistências limitadoras são necessárias aqui, nós apenas calculamos cada segmento do circuito separadamente. Não importa qual segmento é determinado primeiro, mas vamos fazer o único LED/resistor. Para isso usamos a nossa fórmula original:

Sabemos que Vs (para estes exemplos) é 9 volts. E. nós sabemos que Vd é 3.5 volts e I é 20ma. Então, (9 – 3.5) = 5.5 ÷ .020 = 275. Isso não é um resistor de valor padrão, então vamos usar um resistor de 300 ohm aqui.

Agora, vamos calcular o par de séries de LEDs. A fórmula para apenas dois LEDs seria:

Again, Vs é 9 volts, portanto 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, e isso é um valor padrão de resistência. Terminamos. Podemos agora ligar este exemplo e tudo irá funcionar correctamente.

Superliner Kato Amtrak iluminado com luzes EOT

Aqui está o esquema de um carro de passageiros ligado para iluminação utilizando um rectificador de ponte e 600μf de capacitância para assegurar que a DC sem cintilação – estável em termos de polaridade – é fornecida a todos os LEDs. Um LED super branco ilumina o interior do automóvel e dois LED’s Micro vermelhos fornecem luzes de fim de curso. Um interruptor é adicionado para que a função EOT possa ser desligada, se desejado. Um exemplo de funcionamento deste carro (com 800μf de controle de cintilação) pode ser visto aqui.

O circuito LED com fio série/paralelo

Aqui, expandimos um pouco o nosso exemplo #3 acima. Nós temos três grupos de pares de séries de LEDs. Cada um deles é tratado como um circuito separado para fins de cálculo, mas estão ligados em conjunto para uma fonte de energia comum. Se estes fossem todos os nossos Micro Super LEDs brancos, já sabemos tudo o que é necessário para construir este circuito. Além disso, sabemos que cada par em série irá extrair 20ma de corrente, portanto o total na fonte de energia será de 60ma. Muito simples.

O interessante dos circuitos de LEDs em série/paralelo é a facilidade com que você pode expandir o número de luzes em uma determinada fonte de energia. Veja o nosso N3500 Switching Power Supply, por exemplo. Ele fornece 1 Amp (1000ma) de corrente a 9 volts.

Usando o nosso circuito paralelo mais cedo, nós poderíamos conectar até 50 dos nossos 2×3, ou Micro, ou Nano LEDs Super brancos (ou qualquer combinação igual a 50), cada um com o seu próprio resistor limitador, e esta pequena fonte de alimentação iria lidar com isso. Isso provavelmente seria suficiente para uma cidade de tamanho decente. Agora, se formos um pouco mais espertos, podemos usar alguns circuitos em série/paralelo e expandir facilmente esta quantidade, ainda com apenas uma fonte. Se fossem todos em série/paralelo, podíamos fazer funcionar 100 luzes. Hipoteticamente, se estivéssemos fazendo um projeto usando nossos Micro LEDs vermelhos N1012 (tensão do dispositivo de 1,7 volts), poderíamos rodar 400 LEDs com nossa pequena fonte de alimentação. Isso é um pensamento bastante bizarro, no entanto. Alguém quer óculos escuros?

Para mais detalhes sobre a utilização da nossa Fonte de Alimentação de Comutação para os seus projectos de layout ou diorama, clique aqui.

Não se esqueça da regra #4. Ao criar grupos em série, certifique-se de que as tensões do dispositivo e os requisitos actuais são muito semelhantes. Basta dizer que a mistura de LEDs com grandes diferenças de tensão ou requisitos de corrente do dispositivo no mesmo grupo de séries não produzirá resultados satisfatórios.

Finalmente, seja imaginativo. Você pode misturar e combinar. Circuitos em série, paralelos, LEDs com um fio, circuitos em série/paralelo, grupos brancos, grupos vermelhos, amarelos, verdes, o que quer que seja. Desde que você calcule cada caso para uma resistência limitadora adequada e observe seus esquemas de fiação para o tamanho correto do fio, seus projetos de iluminação funcionarão com resultados muito satisfatórios.

Outra coisa, para aqueles de vocês que se sentem desconfortáveis trabalhando “de mão longa” com as fórmulas acima, criamos várias calculadoras para fazer os cálculos para vocês. Tudo que você tem que fazer é digitar os valores e clicar no botão “calcular”. Elas podem ser encontradas clicando em clickinghere.

… DEIXE QUE HAJA LUZ …