Categorias: Eletrônica prática, Fontes de luz, Tudo sobre LEDs, Como isso funciona
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Como são as lâmpadas LED
O artigo fala sobre o design de lâmpadas LED. Vários esquemas de complexidade diferente são considerados e recomendações são dadas para a fabricação independente de fontes de luz LED conectadas a uma rede de 220 V.
Benefícios das lâmpadas economizadoras de energia
As vantagens das lâmpadas economizadoras de energia são amplamente conhecidas. Primeiro de tudo, é realmente baixo consumo de energia e, além disso, alta confiabilidade. Atualmente, as lâmpadas fluorescentes mais difundidas. Uma lâmpada consumo de energia 20 watts, fornece a mesma iluminação que uma lâmpada incandescente de cem watts. É fácil calcular que a economia de energia é cinco vezes.
Recentemente, as lâmpadas LED estão sendo dominadas na produção. Os indicadores de eficiência e durabilidade são muito superiores aos das lâmpadas fluorescentes. Nesse caso, a eletricidade é consumida dez vezes menos que as lâmpadas incandescentes. A durabilidade das lâmpadas LED pode atingir 50 ou mais mil horas.
As fontes de luz de nova geração, é claro, são mais caras que as lâmpadas incandescentes simples, mas consomem significativamente menos energia e aumentam a durabilidade. Os dois últimos indicadores foram projetados para compensar o alto custo de novos tipos de lâmpadas.
Circuitos práticos de lâmpadas LED
Como primeiro exemplo, podemos considerar o dispositivo da lâmpada LED desenvolvido pela empresa "SEA Electronics" usando microcircuitos especializados. O circuito elétrico dessa lâmpada é mostrado na Figura 1.
Figura 1. Esquema da lâmpada LED da empresa "SEA Electronics"
Há dez anos, os LEDs só podiam ser usados como indicadores: a intensidade da luz não passava de 1,5 ... 2 microchandels. Apareceram LEDs super brilhantes, nos quais o poder de radiação atinge várias dezenas de candelas.
Ao usar LEDs de alta potência em conjunto com conversores de semicondutores, tornou-se possível criar fontes de luz capazes de resistir à competição com lâmpadas incandescentes. Um conversor semelhante é mostrado na Figura 1. O circuito é bastante simples e contém um pequeno número de peças. Isto é conseguido através do uso de microcircuitos especializados.
O primeiro chip IC1 BP5041 é um conversor AC / DC. Seu diagrama estrutural é mostrado na Figura 2.
Figura 2. Diagrama de blocos do BP5041.
O microcircuito é fabricado na caixa do tipo SIP mostrada na Figura 3.
Figura 3
Um conversor conectado a uma rede de iluminação de 220V fornece uma tensão de saída de 5V a uma corrente de cerca de 100 miliamperes. A conexão à rede é feita através de um retificador feito no diodo D1 (em princípio, é possível usar um circuito em ponte do retificador) e um capacitor C3. O resistor R1 e o capacitor C2 eliminam o ruído de impulso. Veja também - Como conectar uma lâmpada LED a uma rede de 220 V.
Todo o dispositivo é protegido por um fusível F1, cuja classificação não deve exceder a indicada no diagrama. O capacitor C3 foi projetado para suavizar a ondulação da tensão de saída do conversor. Deve-se observar que a tensão de saída não possui isolamento galvânico da rede, o que é completamente desnecessário neste circuito, mas requer cuidados especiais e a observância das regras de segurança durante a fabricação e o comissionamento.
Os capacitores C3 e C2 devem estar com uma tensão de trabalho de pelo menos 450 V. O capacitor C2 deve ser de filme ou cerâmica. O resistor R1 pode ter uma resistência na faixa de 10 ... 20 Ohms, o que é suficiente para a operação normal do conversor.
O uso deste conversor elimina a necessidade de um transformador abaixador, o que reduz significativamente as dimensões gerais do dispositivo.
Uma característica distintiva do chip BP5041 é a presença de um indutor interno, como mostrado na Figura 2, que reduz o número de conexões e o tamanho geral da placa de circuito.
Como diodo D1, qualquer diodo com uma tensão reversa de pelo menos 800 V e uma corrente retificada de pelo menos 500 mA é adequado. O amplo diodo de importação 1N4007 atende totalmente a essas condições. um varistor VAR1 do tipo FNR-10K391 é instalado na entrada do retificador. Seu objetivo é proteger todo o dispositivo contra ruídos de impulso e eletricidade estática.
O segundo chip IC, tipo HV9910, é um estabilizador de corrente PWM para LEDs super brilhantes. Usando um transistor MOSFET externo, a corrente pode ser ajustada na faixa de alguns miliamperes a 1A. Essa corrente é ajustada pelo resistor R3 no circuito de realimentação. O chip está disponível em SO-8 (LG) e SO-16 (NG). Sua aparência é mostrada na Figura 4 e na Figura 5 um diagrama de blocos.
Figura 4. Chip HV9910.
Figura 5. Diagrama de blocos do chip HV9910.
Usando o resistor R2, a frequência do oscilador interno pode variar na faixa de 20 a 120 KHz. Com a resistência do resistor R2 indicada no diagrama, será de cerca de 50 KHz.
O indutor L1 é projetado para armazenar energia enquanto o transistor VT1 está aberto. Quando o transistor fecha, a energia armazenada no indutor é transmitida através do diodo Schottky de alta velocidade D2 para os LEDs D3 ... D6.
Aqui é o momento de recordar a auto-indução e a regra de Lenz. De acordo com essa regra, a corrente de indução sempre tem uma direção que seu fluxo magnético compensa as mudanças no fluxo magnético externo, que (mudança) causou essa corrente. Portanto, a direção do EMF de auto-indução tem uma direção oposta à direção do EMF da fonte de energia. É por isso que os LEDs acendem na direção oposta em relação à tensão de alimentação (pino 1 do IC2, indicado no diagrama como VIN). Assim, os LEDs emitem luz devido ao CEM da bobina de auto-indução L1.
Nesse projeto, são utilizados 4 LEDs super brilhantes do tipo TWW9600, embora seja possível usar outros tipos de LEDs fabricados por outras empresas.
Para controlar o brilho dos LEDs no chip, há uma entrada PWM_D, PWM - modulação de um gerador externo. Nesse esquema, essa função não é usada.
Se você mesmo estiver fabricando uma lâmpada LED, use uma caixa com um tamanho de base de parafuso E27 a partir de uma lâmpada de economia de energia inutilizável com uma potência de pelo menos 20 watts. A aparência da estrutura é mostrada na Figura 6.
Figura 6. Lâmpada LED caseira.
Embora o esquema descrito seja bastante simples, nem sempre é possível recomendá-lo para a autoprodução: você não poderá comprar as peças indicadas no esquema ou a qualificação insuficiente da montadora. Alguns podem ter medo: "E se eu não conseguir?". Para tais situações, você pode oferecer várias opções mais simples, tanto em circuitos quanto na aquisição de peças.
Lâmpada LED simples para casa
Um diagrama mais simples da lâmpada LED é mostrado na Figura 7.
Figura 7
Este diagrama mostra que um retificador de ponte com reator capacitivo é usado para alimentar os LEDs, o que limita a corrente de saída. Tais fontes de alimentação são econômicas e simples, sem medo de curtos-circuitos, sua corrente de saída é limitada pela capacitância do capacitor. Esses retificadores são freqüentemente chamados estabilizadores de corrente.
O papel do reator capacitivo no circuito é desempenhado pelo capacitor C1. Com uma capacitância de 0,47 μF, a tensão de operação do capacitor deve ser de pelo menos 630 V. Sua capacidade é projetada para que a corrente através dos LEDs seja de aproximadamente 20 mA, que é o valor ideal para os LEDs.
A ondulação da tensão retificada da ponte é suavizada pelo capacitor eletrolítico C2. Para limitar a corrente de carga no momento da ligação, é usado um resistor R1, que também serve como fusível em situações de emergência.Os resistores R2 e R3 são projetados para descarregar os capacitores C1 e C2 após desconectar o dispositivo da rede.
Para reduzir as dimensões, a tensão de operação do capacitor C2 foi selecionada para ser apenas 100 V. Em caso de quebra (queima) de pelo menos um dos LEDs, o capacitor C2 será carregado com uma tensão de 310 V, o que inevitavelmente levará à sua explosão. Para se proteger contra essa situação, esse capacitor é desviado pelos diodos zener VD2, VD3. Sua tensão de estabilização pode ser determinada da seguinte maneira.
Em uma corrente nominal através do LED de 20 mA, uma queda de tensão é criada, dependendo do tipo, entre 3,2 ... 3,8 V. (Uma propriedade semelhante em alguns casos permite o uso de LEDs como diodos zener). Portanto, é fácil calcular que, se 20 LEDs forem usados no circuito, a queda de tensão entre eles será de 65 ... 75 V. É nesse nível que a tensão no capacitor C2 será limitada.
Os diodos Zener devem ser escolhidos para que a tensão total de estabilização seja ligeiramente superior à queda de tensão nos LEDs. Nesse caso, durante a operação normal, os diodos zener serão fechados e não afetarão a operação do circuito. Os diodos zener 1N4754A indicados no circuito têm uma tensão de estabilização de 39 V e são conectados em série - 78 V.
Se pelo menos um dos LEDs quebrar, os diodos zener se abrirão e a tensão no capacitor C2 será estabilizada em 78 V, o que é claramente menor que a tensão operacional do capacitor C2, para que não ocorra explosão.
O design de uma lâmpada LED caseira é mostrado na Figura 8. Como pode ser visto na figura, ela é montada em um compartimento a partir de uma lâmpada de economia de energia inutilizável com uma base E-27.
Figura 8
A placa de circuito impresso na qual todas as peças são colocadas é feita de fibra de vidro de qualquer maneira disponível em casa. Para instalar os LEDs, furos de 0,8 mm de diâmetro foram perfurados na placa e 1,0 mm para as peças restantes. Um desenho da placa de circuito é mostrado na Figura 9.
Figura 9. A placa de circuito impresso e a localização das peças nela.
A localização das peças na placa é mostrada na Figura 9c. Todas as peças, exceto os LEDs, estão instaladas na lateral da placa, onde não há faixas impressas. Um jumper também é instalado no mesmo lado, também mostrado na figura.
Depois de instalar todas as peças na lateral da folha, os LEDs são instalados. A instalação dos LEDs deve começar no meio da placa, movendo-se gradualmente para a periferia. Os LEDs devem ser selados em série, ou seja, o terminal positivo de um LED está conectado ao terminal negativo do outro.
O diâmetro do LED pode ser de 3 a 10 mm. Nesse caso, as conclusões dos LEDs devem ser deixadas com pelo menos 5 mm de comprimento da placa. Caso contrário, os LEDs podem simplesmente superaquecer durante a soldagem. A duração da solda, conforme recomendado em todos os manuais, não deve exceder 3 segundos.
Depois que a placa é montada e ajustada, suas conclusões devem ser soldadas à base e a placa é inserida na caixa. Além do gabinete indicado, é possível usar um gabinete mais miniatura, porém, será necessário reduzir o tamanho da placa de circuito impresso, sem esquecer, no entanto, as dimensões dos capacitores C1 e C2.
Veja também: Histórico de reparo da lâmpada LED
O design mais simples da lâmpada LED
Esse circuito é mostrado na Figura 10.
Figura 10. O design mais simples da lâmpada LED.
O circuito contém um número mínimo de peças: apenas 2 LEDs e resistor de têmpera. O diagrama mostra que os LEDs estão ligados em paralelo - em paralelo. Com essa inclusão, cada um deles protege o outro da tensão reversa, que é pequena para os LEDs, e a tensão da rede elétrica claramente não suporta isso. Além disso, essa dupla inclusão aumentará a frequência de oscilação da lâmpada LED para 100 Hz, o que não será perceptível aos olhos e não prejudicará a visão. Basta lembrar aqui como, para economizar dinheiro, as lâmpadas incandescentes comuns eram conectadas através de um diodo, por exemplo, nas entradas. Eles agiram de maneira muito desagradável na visão.
Se dois LEDs não estiverem disponíveis, um deles poderá ser substituído por um diodo retificador convencional, que protegerá o diodo emissor da tensão reversa da rede. A direção de sua inclusão deve ser a mesma que a do LED ausente. Com essa inclusão, a frequência de oscilação do LED será de 25 Hz, o que será perceptível aos olhos, como já descrito acima.
Para limitar a corrente através dos LEDs no nível de 20 mA, o resistor R1 deve ter uma resistência na faixa de 10 ... 11 KOhm. Ao mesmo tempo, seu poder deve ser de pelo menos 5 watts. Para reduzir o aquecimento, ele pode ser composto de vários, os melhores de todos os três resistores de 2 W.
Os LEDs podem ser usados da mesma forma que os mencionados nos esquemas anteriores ou que podem ser adquiridos. Ao comprar, você deve conhecer com precisão a marca do LED para determinar sua corrente contínua nominal. Com base na magnitude dessa corrente, a resistência do resistor R1 é selecionada.
O design da lâmpada montada de acordo com este esquema difere pouco das duas anteriores: ela também pode ser fabricada no corpo de uma lâmpada fluorescente de economia de energia inutilizável. A simplicidade do circuito nem sequer implica a presença de uma placa de circuito impresso: as peças podem ser conectadas por montagem na parede; portanto, como costumam dizer nesses casos, o design é arbitrário.
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