Conhecendo os diodos LED


Diodos LED

Os diodos LED (Light Emitting Diode, ou diodo emissor de luz) transformam energia elétrica em energia luminosa. Até bem pouco tempo atrás esta conversão focalizava somente os aspectos de indicação luminosa, mas atualmente, leds de alta potência já são utilizados em aplicações de iluminação propriamente dita, sendo utilizados em lampadas para residencias, faróis, lanternas, etc…
A possibilidade de controlar a operação de um led a partir de um microcontrolador leva a inúmeras aplicações, limitadas basicamente pela imaginação e $$$ disponível.

Formatos físicos de um led

Fisicamente, os leds assumem formatos muito diferentes. A figuras a seguir apresentam alguns deles:

Led vermelho simples

Leds coloridos monocromáticos

 

Display led sete segmentos

Lâmpada com led

Símbolo de um diodo Led

O simbolo de um led é similar ao de um diodo, acrescentando-se a setas indicadores de luz emitida. Na figura a seguir temos o símbolo e a correspondente identificação dos terminais no dispositivo mais comum.

Símbolo do led

Cores dos leds atuais

As cores dos leds são dependentes do material utilizado na construção da junção semicondutora. O invólucro plástico é colorido da mesma cor apenas para facilitar a sua identificação quando o led está desativado.

Um ponto importante no projeto com os leds é a tensão de condução. Também aqui o material da junção é determinante deste valor. A tabela a seguir mostra as cores e as tensões de condução para os materiais hoje disponíveis.

.Cores disponíveis nos leds

Material Comprimento onda Cor Tensão condução em 20mA
GaAs 850-940nm Infravermelho 1.2v
GaAsP 630-660nm Vermelho 1.8v
GaAsP 605-620nm Laranja 2.0v
GaAsP:N 585-595nm Amarelo 2.2v
AlGaP 550-570nm Verde 3.5v
SiC 430-505nm Azul 3.6v

Como saber se um led infravermelho está emitindo?

A luz infravermelho emitida por um led não é perceptível pelo olho humano (mas alguns animais a veem!). É por isto que você não vê nenhum impulso luminoso saindo do controle remoto de sua TV. O pulso gerado pelo controle é um pulso infravermelho. Se o comando parar de funcionar, como você pode saber se o problema é na geração ou na recepção do infravermelho?

Simples: Aponte a câmera do seu celular na função filmadora para o ponto de emissão infravermelha. A câmera é sensível ao infravermelho, e um ponto azul será mostrado na tela do celular sempre que estiver ocorrendo geração de sinais infravermelho!

Circuito eletrônico para se acender um LED

O objetivo do circuito  é garantir uma corrente ao led que não ultrapasse os limites dados pelo fabricante. Quanto maior a corrente maior o brilho, porém,  ultrapassar a corrente máxima poderá provocar danos permanentes no dispositivo. Geralmente o circuito de acionamento de um led é dado por um resistor em série, conforme visto na figura a seguir:

Circuito alimentação de um led

Cálculo do resistor limitador de corrente

O cálculo do resistor é dependente da tensão de alimentação da tensão de condução do led (veja a tabela de cores) e da corrente que desejamos estabelecer. Caso você não tenha acesso a folha de características do led, uma corrente de operação tipica é de 20 mA.

  • O valor de R

R=(V - V_f)/I

A potência dissipada em R será:

P_r = (V - V_f) * I

E a potência dissipada no diodo será dada por:

P_d = V_f * I

Sendo V tensão de alimentação em volts, Vf tensão de condução do diodo, em volts, e I corrente sobre o diodo em amperes.

O motivo do cálculo da potencia dissipada em um componente eletrônico, seja ele um resistor ou diodo, é podermos dimensionar o componente para que ele não se aqueça em demasia durante a operação. A regra pratica é escolher um componente com capacidade de dissipação de potência 3 x a potencia efetivamente dissipada. Com isto o componente não irá se aquecer. Por exemplo, se o cálculo mostrou que um resistor irá dissipar 0.8W, devemos utilizar um resistor que dissipe o mínimo de 2.4W. Do ponto de vista comercial usaríamos um resistor de 3 W.

Para mantermos o componente dentro dos limites térmicos, podemos também utilizar dissipadores de calor, muito utilizados em CI, transistores e diodos. O cálculo destes dissipadores será motivo de futuro artigo neste site.

Arranjos de led em displays sete segmentos

Um led de sete segmentos não nada além de um conjunto de leds arranjados mecanicamente de tal forma a gerar caracteres numéricos. Para um display de sete segmentos, além de um led por segmento, temos normalmente um ou dois pontos decimais.

Para diminuir o número de conexões necessárias, interligamos juntos ou todos os catodos, ou todos os anodos dos leds. O resultado fica sendo o seguinte:

Display sete segmentos anodo comum

Display sete segmentos catodo comum

Como controlar a luminosidade de um led

Controlamos a luminosidade de um led através da modulação da corrente sobre o mesmo. Embora o controle linear da corrente seja possível, por exemplo, através de um potenciômetro, não é o mais adequado. Usando um potenciômetro iremos dissipar energia inutilmente no potenciômetro e o controle será muito ruim, devido a característica nada linear da conversão de corrente em luz no led.

A melhor forma de se controlar a luminosidade de um led é controlando a largura de um pulso de corrente enviado ao mesmo. Esta modulação é denominada PWM , de “pulse widh modulator”, ou modulador de largura de pulso. O que fazemos é controlar a largura do pulso. Quanto maior esta largura, maior o brilho.

A figura a seguir mostra como é a correlação entre a largura de pulso e o brilho do led.

Modulando o brilho através do PWM

Controlando a luminosidade de um led através do arduino

No projeto de um controlador de luminosidade de um led através de um PWM, temos que levar em consideração duas variáveis importantes. A frequência do pulso e a largura do pulso.

Se escolhermos uma frequência muito baixa, o led irá piscar, o que não é de nosso interesse. Uma frequência muito alta não irá acender o led. A frequência gerada pela instrução analogWrite no pino 5 de um arduino UNO é de 980Hz, bem dentro do que precisamos.

A estrutura de um possível programa para controlar a luminosidade a partir de um comando externo, advindo da porta serial, seria o seguinte;

Em primeiro lugar idealizamos o diagrama de contexto, no qual todas as entradas e saídas são especificadas. Muito simples neste caso, pois temos como saída apenas um led e como entrada o sinal da porta rs232C (emulada através de um USB).

Diagrama de contexto do controlador de brilho

Temos muitas alternativas para implementar a funcionalidade desejada. A que vamos demostrar aqui é a mais simples, pois utiliza a instrução analogWrite, que faz parte da linguagem do Arduino. A analogWrite espera receber um valor de 0 a 255, correspondente a uma largura de pulso de 0 a 100%.

Portanto, o nosso programa espera receber pela serial um valor de 0 a 255 e envia este valor para a função analogWrite,que por sua vez gera o pulso para controlar a luminosidade de um led ligado na porta D5. Mais simples impossível!

O led deve ser ligado à porta D5 segundo o seguinte circuito:

Ligação do diodo externo

Os comandos reconhecidos pelo firmware serão:

Comando significado retorno
0/n quem é você? controlador luminosidade v 0.1
1,nnn/n configura o brilho $1,nnn/n

O parâmetro nnn varia de 0, nenhum brilho a 255, brilho máximo.

Carregue o programa brilhoLed.ino, disponível na página https://cadernodelaboratorio.com.br/scripts-softwares-e-arquivos-de-configuracao/ , sob o nome pack170904.tar.gz , compila e transfira para o Arduino. Usando o próprio emulador de terminais (9600,8N1)  do ambiente arduino envie o comando 0 e veja a resposta. Agora envie os comandos 1,0\n , 1,100\n e 1,200\n e veja como o brilho do led é alterado ao ser recebido o comando.


Controlando um display de sete segmentos com o Arduino

Controlar um display sete segmentos não é muito mais difícil do que controlar um único led. Observe no diagrama a seguir:

Controlando um display 7 segmentos

Observe que cada bit de saída controla um segmento. Um programa para gerar os números de 0 a 9 deve acender os leds necessários para compor cada dígito numérico.

Controlando até quatro displays sete segmentos com UM arduino

Uma das situações em que gostaríamos de ter mais pinos digitais no UNO é quando precisamos de controlar 4 displays de 7 segmentos. Deixando de lado a opção mais imediata e cara, trocar o UNO por MEGA, podemos usar a técnica de multiplexagem.

Quando multiplexamos, um pino seleciona o display, e um outro seleciona o segmento desejado. Os segmentos iguais nos displays são acionados simultaneamente, mas apenas o display selecionado acende. O diagrama a seguir mostra como isto é feito:

Controlando 4 displays sete segmentos

Observe na figura como as portas D10 a D13 controlam cada um dos display, e as portas D2 a D9 controlam cada segmento de forma independente.

Para que os quatro dígitos apareçam acesos simultaneamente, temos que chavear rapidamente entre cada um deles. Ou seja, na realidade apenas um segmento de um dado display é aceso por vez, mas como a varredura completa é feita muito rapidamente, o usuário tem a sensação que todos os segmentos selecionados estão acesos ao mesmo tempo.

Criando um efeito multicolorido com leds bicolores

Usando um led bicolor de catodo comum, podemos obter efeitos interessantes com o controle individual das cores vermelho e verde. Na montagem associamos o led verde à porta D6 e o led vermelho à porta D5. O circuito para ligação do led bicolor é o seguinte:

Ligação led bicolor catodo comum

Disponibilizamos a seguir um programa arduino para comando individual do brilho dos leds coloridos. Os comandos reconhecidos pelo firmware serão:

Comando significado retorno
0/n quem é você? controlador luminosidade v 0.1
1,nnn,mmm/n configura o brilho do diodo vermelho (nnn) e verde (mmm) $1,nnn/n

Carregue o programa ledBicolor.ino da página https://cadernodelaboratorio.com.br/scripts-softwares-e-arquivos-de-configuracao/ , sob o nome pack170904.tar.gz , compila e transfira para o arduino. Usando o próprio emulador de terminais  (9600,8N1) do ambiente arduino envie o comando 0 e veja a resposta. Agora envie os comandos 1,0,0\n , 1,100,0\n e 1,0,100\n e veja como o brilho e a cor do led é alterado ao ser recebido o comando.

Lembrete final

Um lembrete aos nossos leitores que se utilizam do tradutor automático para lerem em seus idiomas:

We realize that automatic translated services nowdays are terrible. Non portuguese speakers can have a hard time to understand parts of the translated text. If this is your case, you can ask us in english about anything in the blog. We will answer also in english.

Nos damos cuenta de que los textos traducidos automáticamente tienen sus limitaciones. Los que no hablan portugues pueden tener dificultades para entender parte del texto traducido. Si este es su caso, no dude en preguntarnos en español sobre cualquier informacion del blog. Responderemos también en español (or portuñol, estoy seguro que podremos llegar a entendernos).:-) ).

Até a próxima!

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