Como ligar um LED em AC 220V?

          

          Ligar um LED na tomada é um dos circuitos que chamam bastante atenção de todos que gostam de eletrônica. No meu caso, o que me chamou a atenção é que o LED é um componente de baixa potência e liga-lo direto em uma tomada parece uma ótima maneira de realizar uma sinalização ou iluminação. Na verdade o que é interessante neste circuito é a quantidade de conceitos envolvidos. Por isso apesar dos vídeos, resolvi detalhar bem esses conceitos nesta página do BLOG. Farei por tópicos para que seja útil também como forma de consulta pontual.

                Para seguir a lógica, vou explicando e colocando os vídeos desta série a medida que formos explicando os conceitos (a maioria estão nos vídeos também).

Veja que com esse conhecimento é possível criar algumas coisas bem interessantes. Abaixo dois exemplos.

Corrente

                Agora vamos entender alguns conceitos. O primeiro é a questão da corrente AC e corrente DC. Um gráfico que não fazia nenhum sentido para mim era:

                Se olharmos o desenho de indicação de cada tipo de sinal, veremos que tem relação com sua forma de onda. Só acreditei nisso quando vi em um osciloscópio (que era outro instrumento que não fazia nenhum sentido) as formas de ondas de diferentes formatos e origens.

              Mas o que isso tem haver com o nosso LED? O LED trabalha com corrente contínua (DC) e a tomada tem corrente alternada (AC). Na corrente alternada podemos dizer que ela trabalha nas duas direções, por isso ela vai variando em seu gráfico, enquanto a corrente contínua só trabalha em uma direção. Imaginem que o LED tem um lado positivo e outro lado negativo e por isso precisa ter essa corrente definida (Contínua).

                Essa informação é importante, pois precisamos converter essa corrente de AC para DC. Para isso usamos um componente chamado DIODO.

Diodo

                O diodo só permite a passagem de corrente em um sentido e com isso retém a passagem de corrente em sentido contrário.

   Com a utilização de um diodo teremos uma onda da seguinte forma:

                Com isso só teremos corrente em um sentido. E por isso seria utilizável por qualquer dispositivo DC. O LED também é um diodo, mas vamos abstrair essa informação neste momento para dar continuidade ao foco na corrente. Certamente você notou que as ondas ficam “falhadas”. No caso do LED isso não ficará visível (ele irá acender e apagar) pois o ciclo (tempo que uma onda completa é formada) é de 60Hz no Brasil, ou seja, Serão 60 ondas por segundo.

1 Ciclo

               

                Para que a corrente não fique falhada, usamos um circuito de diodos chamado de Ponte Retificadora. Ele é formado por 4 diodos organizados de forma a “virar” a onda em um dos sentidos, fazendo que a corrente se movimente em um só lado sem perder energia.

                        Os 4 diodos são colocados de forma a direcionar o sentido da corrente como podemos observar abaixo na imagem.

                  Se você seguir o sentido verás a “mágica” de converter o AC em DC.

                 Mas voltando ao assunto de ligar o LED no 220v (ou 110v) vamos tratar das etapas até chegarmos no circuito ideal.

                O primeiro e mais óbvio é ligar o LED diretamente. Considerando um LED branco comum (3V e 20mA) e que a tensão é 220V (verifique a sua região pois alguns lugares temos uma tensão um pouco maior) se ligarmos diretamente o LED queimará instantaneamente. Por isso já vimos que precisamos calcular uma queda de tensão, deixando para o LED apenas os 3V.

                A fórmula é uma das mais usadas quando tratamos de LEDs:

                R = (Vi – Vl) / L

                Onde:

                R = Resistor

                Vi = Tensão de entrada (no caso os 220v)

                Vl = Tensão do LED (no caso 3V)

                L = corrente do LED no caso os 20mA (ou 0,02A )

                Então:

                R = (220-3)/0,02

                R = 217 / 0,02

                R = 10.850

                Como a corrente tem grande variação, vou utilizar no circuito um resistor um pouco acima do calculado (arredondo para cima – bem para cima J ) então será um de 15k (ou 15.000ohms)

               Esse será o circuito final. Então vem a pergunta, mas e a história de corrente contínua e corrente alternada (DC / AC)?

                O que observamos é que o LED é um diodo. Um diodo emissor de luz. Então ele tem o mesmo comportamento. A questão é que é um diodo que suporta tensão de até 3.4V (no caso do branco) e por isso pode ter uma vida útil bem curta.

                    

Por isso vamos incrementar esse circuito utilizando um diodo IN4001 (ou 1N4001) que suporta até 1000V. Com esse diodo fará a “conversão” de onda que precisamos.

O circuito ficará da seguinte forma:

Com esse circuito, você terá o resultado desejado. É claro que não com o melhor desempenho, pois o diodo “joga fora” metade da energia. Por isso a troca do diodo (em uma retificação de meia-onda) por um ponte retificadora irá gerar uma eficiência energética muito maior e diminuirá o flicker (pisca-pisca) do LED (mesmo que seja imperceptível).

Então chegamos a um circuito mais eficiente e que permite a ligação do LED no 220V sem sustos.

Mas ainda podemos buscar mais eficiência neste circuito e para isso usaremos um capacitor.

Capacitor

Os capacitores funcionam armazenando energia e devolvendo ao circuito quando necessário. Mais ou menos como uma pilha recarregável de alta velocidade.

Existem capacitores de vários materiais, mas um deles é especificamente diferente: Os capacitores eletrolíticos, pois possuem polaridade.

Os capacitores também são conhecidos como Condensadores (vindo da língua espanhola).

As principais utilizações dos capacitores são a filtragem e o desacoplamento. A filtragem é a utilização do capacitor para manter a onda com menos variação, carregando no topo e descarregando no vale a sua energia. O desenho abaixo explica bem isso:

Veja que no desenho o capacitor permite uma onda mais estável.

Outra funcionalidade do capacitor é o desacoplamento que concede ao circuito energia quando este necessita e em alguns casos ela foi reduzida opor alguma situação. Também ele diminui a emissão de ruídos eletromagnéticos, e proporciona uma estabilidade maior no funcionamento do circuito (principalmente se usamos CHIP), evitando que haja oscilações nos sinais lidos e emitidos pelo mesmo. Porém, não quer dizer que na maioria dos casos não funcione sem eles.

O capacitores tem sua capacitância (ou capacidade elétrica) medidas em farad. Como esta unidade é relativamente grande, geralmente são utilizados os seus submúltiplos, como o milifarad (mf), microfarad (uf)(μf), o nanofarad (nf) ou o picofarad (pf).

Como conclusão lógica podemos usar um capacitor em nosso circuito para melhorar ainda mais a corrente que colocamos sobre o LED.

Mas o objetivo do capacitor ainda não é este. O capacitor quando usado em uma corrente alternada (AC) ele tem uma propriedade chamada Reatância Capacitiva. Isso torna o capacitor como um “resistor” com propriedades mais interessantes. No nosso circuito o resistor que reduz a corrente transforma esse excesso em calor consumindo a energia recebida. No caso do capacitor, essa energia é toda utilizada, mas como o capacitor precisa carregar e descarregar, ele “segura” a energia e com isso não consome tornando o circuito muito mais eficiente.

Então utilizamos o Capacitor (cerâmico) no nosso circuito ANTES da ponte retificadora, pois essa característica terá resultado esperado na corrente alternada.

Neste circuito mantemos o resistor, pois ao ligar a corrente e o capacitor estiver descarregado, podemos ter um pico que danifique o nosso circuito.

Mas precisamos agora descobrir a capacitância do capacitor. E para isso usaremos os seguintes cálculos:

R = (Vi – Vl) / L

                R = (220-3)/0,02

                R = 217 / 0,02

                R = 10.850

Esse é o mesmo cálculo que temos para definir uma ligação direta com o LED (óbvio já que vamos ligar o mesmo LED).

Observação: Ao utilizarmos diodos, os mesmos reduzem aproximadamente 0,7V e isso modifica um pouco o resultado, mas nada significativo e por isso vamos ignorar essa queda.

C = 1 / (2π * F * R)

Onde:

C = Capacitância

F = Frequência (no Brasil 60hz)

R = Resistência desejada

Então:

C = 1 / (2*3,14*60*10850)

C = 1 / (6,28 * 60 * 10850)

C = 1 / (376,8 * 10850)

C = 1 / 4088280

C = 0,0000002446016417662195

Ou

C = 2,446e-7

Ou

0,24µf

Ou

244nf
Ou
244600pf

Esse então é o capacitor que temos de ter para obter a Capacitância Resistiva desejada. Além disso é importante observar que o capacitor tem uma tensão suportada. Se vamos colocar ele em uma tensão de 220V, precisaremos de um capacitor de pelo menos 250V. (Muitos recomendam dobrar esse limite e no caso usar um de 400V, mas como colocamos um resistor na entrada isso não é realmente necessário, mas é uma boa dica).

Existe ainda o cálculo do resistor (resistência e corrente que deve suportar), mas veremos isso mais adiante. Neste exemplo usaremos um de 1k com 3W.

E finalizando esse é o circuito ideal. Abaixo o vídeo explicativo dele e seus cálculos.

Monte o seu!!!