manual de utilizacao de leds e fontes de alimentacao

MMaannuuaall ddee UUttiilliizzaaççããoo ddee LLeeddss ee FFoonntteess ddee Alliimmeennttaaççããoo

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MMaannuuaall ddee uuttiilliizzaaççããoo ddee LLEEDDss ee ffoonntteess ddee aalliimmeennttaaççããoo

Engenheiro Edson Jacob


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Introdução A idéia de criação deste manual surgiu em função da grande dúvida, curiosidade e dificuldade da maioria dos usuários de Leds em compreender seu funcionamento e utilizá-lo adequadamente nas mais diversas aplicações.

Este manual pode e deve ser lido por técnicos e não técnicos, principalmente por aqueles que utilizam o Led no seu dia a dia, para a criação de novos produtos de iluminação ou em todos os usos relacionados com esta tecnologia.

Este material não se resume a um tratado técnico, embora a abordagem técnica se

faça necessária em alguns casos, pois estamos tratando de um dispositivo eletrônico, onde grande tecnologia foi empregada na sua fabricação.

O objetivo principal é desmistificar o seu uso, introduzir a noção do seu

funcionamento e fabricação e como podemos fazê-lo funcionar, extraindo assim, todas as vantagens divulgadas pelos fabricantes.

A luz do século XXI

LED, sigla em inglês de Light Emmiting Diode ou diodo emissor de luz, representa uma tecnologia emergente que esta começando a trazer impactos significativos em vários setores da economia. As indústrias de iluminação, automotiva, sinalização, médica, eletrônica, entre outras, perceberam as vantagens de se utilizar os pequenos diodos, também chamados de “ iluminação em estado sólido” ou SSL ( solid state lighting ), devido à ausência de filamentos ou gases, mais sim, um pequeno chip semicondutor eletroluminecente, que na presença da corrente elétrica, emite a luz.

Apesar dos LEDs existirem a várias décadas, somente nos últimos 10 anos houve a viabilização técnica nos materiais semicondutores e nos encapsulamentos, proporcionando maior potência, maior eficiência luminosa e maior vida útil. Com a expectativa de economia de energia que os LEDs irão proporcionar nos próximos anos, os governos dos paises produtores de LEDs tem subsidiado diversas pesquisas em tecnologia, de forma a viabilizar economicamente a nova tecnologia para o mercado. Embora muitos ainda digam que o LED é muito caro e que seu preço tem que cair para se tornar viável, sua utilização é, em muitos casos, mais econômica que muitos sistemas convencionais, bastanto para isso comparativos econômicos entre os dois sistemas. Com certeza o preço dos LEDs irá baixar, contudo a tendência será do LED manter um patamar de preço fixo e alto, porém com um aumento constante de eficiência luminosa.


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O LED através dos anos 1960 – Nick Holonyak Jr. inventou o primeiro led na empresa General Eletric. Estes leds eram apenas usados em indicadores e só existiam na cor vermelha. 1970 – Os led verdes, amarelos e laranjas foram criados apartir de novas substâncias. Começou a se formar um grande mercado, pois a aceitação foi geral. 1980 – Com a tecnologia, leds até 10x mais brilhantes foram criados em relação aos seus antecessores. Os leds começavam a ser utilizados em painéis de mensagens e outdoors. 1990 – Com o avanço da tecnologia os leds se tornaram mais confiáveis e robustos . O mercado ampliou muito e novas possibilidades de utilização surgiram. 1995 – O Dr. Shuji Nakamura inventou o led azul na Nichia Corp., a partir disso o led branco foi viabilizado e começaram a aparecer os primeiros leds de alto fluxo e intensidade. 2000 – O led deixa de ser uma promessa da tecnologia e passa a ser utilizado em muitas aplicações, entre elas, semáforos, automóveis, painéis de mensagens e iluminação arquitetural.


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O que é o LED ? O LED é um diodo semicondutor, e como referência, podemos dizer que o diodo é um componente eletrônico, amplamente utilizado em equipamentos eletrônicos, que permite a passagem da corrente elétrica em uma direção apenas.

Exemplos de diodos semicondutores

A diferença é que o LED quando energizado, emite luz visível. Sua luz é mono-cromática e é produzida pelas interações energéticas do elétron dentro da substância semicondutora. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte de energia elétrica é chamado eletroluminescência.

Em um chip de material semicondutor, tratado para criar uma estrutura chamada junção P-N, ao aplicarmos a corrente elétrica, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a energia possuída por esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz.

No silício e no germânio, que são os elementos semicondutores básicos dos diodos, transistores e chips de computador, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida, devido à opacidade do material. LED VERMELHO, AMBAR – Alumínio, Índio, Gálio e Fósforo (AlInGaP) LED AZUL, VERDE – Índio, Gálio e Nitrogênio (InGaN) LED BRANCO – LED AZUL com adição de Fósforo amarelo


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Fabricação do LED O led é fabricado através da deposição de várias camadas de material semicondutor sobre uma base (wafer), chamada de “safira” (pedra preciosa) com 5 cm ou mais de diâmetro. O processo de deposição do material semicondutor sobre o “wafer” é chamado de “Epitaxial”.

Máquina de deposição dos materiais semicondutores

Posteriormente os chips de leds são cortados em pequenos quadrados de 1 x 1mm ou menos e encapsulados no envolucro final do Led.

Corte esquemático de um LED de alto fluxo e outro de baixa potência

Como vimos, os LED necessitam ser percorridos por uma corrente elétrica contínua para emitir luz, assim observamos que os LEDs tem polaridade e o mesmo tem que ser respeitado para que o LED funcione adequadamente. O positivo do LED chama-se ANODO e o negativo CATODO.


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Evolução na eficiência das lâmpadas e LEDs ( lm/W )

Uma maneira de avaliarmos a eficiência de uma fonte de luz é fazermos a relação do fluxo luminoso total da lâmpada, em lumens, dividido pela sua potência em Watts. Esta relação descreve quanto de luz temos para cada Watt consumido pela fonte de luz.

Nos quadros abaixo podemos avaliar a evolução do LED ao longo dos anos e a sua

comparação com fontes de luz convencionais.

LED 30-100


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Conversão de energia Além da relação de eficiência lm/W, bastante boa, e comparável às lâmpadas mais eficientes, como fluorescentes e HIDs, os LEDs apresentam uma conversão de energia muito satisfatória, quando comparada com outras fontes de luz.

Apesar de grande parte da energia no LED se transformar em calor (heat) , o

restante é totalmente transformado em luz visivel , diferente de outras lâmpadas que geram bastante radiação ultravioleta e infravermelho.

Tabela comparativa entre algumas lâmpadas convencionais e os LEDs. Note a ausência de radiação ultravioleta e infravermelho !

Muito ainda se diz sobre o pequeno fluxo luminoso gerado pelo LED, porém seu pequeno fluxo pode ser quase inteiramente aproveitado com um sistema óptico adequado , diferentemente de outras fontes de luz, onde grande parte do fluxo luminoso é perdido dentro da luminária, devido ao próprio bulbo da lâmpada representar um obstáculo à luz refletida e ao uso de refletores ineficientes.


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Tensão e corrente de funcionamento dos LEDs LEDs de baixa corrente 20 a 70mA ( 0,02 A a 0,07 A ) Potência de 50 a 200mW ( 0,05 a 0,2 W ) : INFRAVERMELHO – 1,5 V VERMELHO, AMARELO E AMBAR – 1,7 a 2,2 V BRANCOS, VERDES E AZUIS – 2,7 a 3,2 V Estes LEDs tem tamanho reduzido e são frequentemente chamados de LEDs de 5mm e LEDs SUPERFLUX ( Piranha ). São encapsulados em resina epoxi transparente com uma lente concentradora integrada ao corpo. São aplicáveis em pequenas lanternas, luminárias de balizamento, semáforos, lanternas de automóveis, iluminação de paineis, paineis de sinalização com texto móvel , telões gigantes de TV , transmissores de controle remoto e barras ou fitas de LEDs. Sua vida útil é limitada (10.000 hs), devido à degradação da resina epoxi que recobre o LED. LEDs de alta corrente 350mA a 1,5 A ( 0,35 A a 1,5 A ) Potência de 1 a 5 W : VERMELHO, AMARELO E AMBAR – 2,2 a 2,8 V BRANCOS, VERDES E AZUIS – 3,3 a 3,8 V Estes são chamados de LEDs de potência ( 1, 3 e 5 W ) ou de alto fluxo. O chip semicondutor é imerso em um gel de silicone que não degrada com o passar do tempo, garantindo baixa depreciação do fluxo luminoso ao longo do tempo. São encapsulados em um envolucro especial, com base metálica, para permitir a fácil transferência de calor do LED para o dissipador externo. São aplicáveis em lâmpadas de LEDs, para substituir a iluminação convencional, projetores cênicos e arquiteturais, luminárias para destaque de objetos, spots em museus, vitrines, farol principal em automóveis, luminárias de alto rendimento para iluminação de ambientes, luminárias sub-aquáticas e de comunicação visual ( back-lights ). Quando corretamente utilizados tem vida útil de 50.000 hs (70 % do fluxo inicial ). Estes são realmente os LEDs que deverão substituir a iluminação convencional em muitas aplicações. É muito importante compreender que nem todos os LEDs são iguais. Não estamos falando de qualidade ou fabricantes diferentes, mais sim de leds com características diferentes para aplicações distintas. Como vimos anteriormente, temos os LEDs de baixa corrente e potência e os de alta corrente a grande potência. Os LEDs de potência estão substituindo a iluminação convencional em muitas aplicações, os de pequena corrente apresentam muitas aplicações, porém não podem fazer o que os LEDs de alta potência podem.


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LEDs de Potência O led é um diodo que emite luz e como já vimos, o diodo é um componente eletrônico que permite a passagem da corrente elétrica em uma só direção, quando aplicado em um fio condutor. Como todo componente eletrônico ele também gera calor e este calor tem que ser controlado e limitado, senão ocorre a destruição do componente ou a diminuição de sua vida. Mesmo os LEDs de pequena corrente esquentam, só que não percebemos. Com certeza o chip semicondutor no interior destes LEDs está a várias dezenas de graus! O que permitiu a construção de LEDs de maior potência e consequentemente mais luz emitida, foi a capacidade da tecnologia de criar estruturas semicondutoras mais eficiêntes para a emissão de luz e finalmente a capacidade de extrair o calor gerado dentro destes chips , ou seja, o caminho do calor gerado foi facilitado para o mundo exterior, permitindo o LED receber correntes elétricas maiores e portanto dissipar potências maiores.

Vantagens - Alto brilho e intensidade ( uso de lentes para conseguir fachos de luz precisos ); - Alta eficiência (lm/W); - Baixa voltagem e corrente de operação ( uso de bateria , coletores solares, dínamos ); - Acendimento instantâneo; - Resistente a choques e vibrações ( uso automotivo, industrial ); - Alta longevidade, mais de 100.000 hs ( uso prático 50.000 hs ); - Não emite radiação UV ( Já existem leds que emitem UV para uso fotoquímico ); - Não emite Infravermelho, facho frio! ( Existem leds IV para controle remoto ); - Facilmente dimerizado e controlado ; - Compacto ( luminárias e dispositivos menores, menos material ! ); - Controle óptico facilitado ( várias opções de lentes ).

Desvantagens - Custo alto ( a tendência é baixar ); - Necessita controle térmico com o uso de dissipadores; - Necessidade de maior conhecimento técnico para aplicação ( profissionalização ).


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Características técnicas dos LEDs de potência A tabela mostra o fluxo luminoso mínimo e típico para os leds de 1W da Lumileds. Vemos que conforme a cor o fluxo muda.

Temperatura de junção (Tj) É importante entender que o fluxo informado é conseguido quando temos uma corrente de 350mA e que a temperatura interna do chip semicondutor esta a 25ºC ( Tj = Temperatura de junção do semicondutor ). A temperatura de junção depende do método de dissipação aplicado ao LED e apresenta um limite entre 120 e 150ºC , dependendo do LED. Quanto pior a dissipação, maior será a temperatura de junção e menor a vida do LED; Quanto maior a corrente, maior será o fluxo luminoso e maior deverá ser o dissipador; Quanto maior a temperatura de junção, menor será a vida do LED e menor será o fluxo; Como vimos, devemos lidar com estes 3 fatores para termos o melhor funcionamento do LED ( TJ, corrente, dissipador ).


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Cores dos LEDs A cor de cada LED é definido por um número chamado comprimento de onda e a unidade deste número é dado em nanometros (nm). Quanto menor o comprimento de onda, mais a luz será azulada, dirigindo-se ao ultravioleta. Quanto maior o número, mais avermelhado será a luz, dirigindo-se ao infravermelho. A luz branca é formada por várias cores, portanto é informada a temperatura de cor da luz (K = Kelvin ) ao invés de um comprimento de onda específico. O índice de reprodução de cores do branco frio está em 70 e para o branco quente 80. A tabela mostra o comprimento de onda de cada cor para os leds de 1W da Lumileds. Com o aumento da temperatura de junção o comprimento de onda aumenta, fazendo com que haja mudança na tonalidade do LED.


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Tensão de funcionamento dos LEDs de potência Forward Voltage ou tensão direta é a tensão de funcionamento do led. A tensão típica é alcançada quando o led é percorrido pela corrente nominal, nesta caso 350 mA. Com o aumento da temperatura Tj, há uma pequena diminuição na tensão direta do LED. Como a tensão do LED muda conforme a temperatura e também há variações no próprio processo de fabricação do chip, a melhor maneira de alimentar o LED, é através de corrente constante, pois assim mantemos o fluxo luminoso sempre constante, mesmo que a tensão do led se altere. Na última coluna da tabela vemos um parâmentro chamado: “Thermal resistance” ou resistência térmica, que representa o nível de dificuldade que o calor encontra em seu caminho para percorrer, desde a junção semicondutora até a carcaça metálica do led. Este dado é importantíssimo para calcularmos o dissipador adequado para cada aplicação. A tabela mostra a tensão direta e a resistência térmica para cada cor de leds de 1W da Lumileds.


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Vida útil do LED Na iluminação convencional adotamos que a vida média de uma lâmpada é o tempo necessário para que 50 % das lâmpadas queimem em uma dada instalação. Para os Leds este conceito é um pouco diferente. Uma característica interessante dos Leds é que eles não queimam instantâneamente como acontece com as lâmpadas comuns, contudo, sua intensidade de luz vai diminuindo com o tempo, o que em alguns casos pode levar muito mais do que as 100.000 hs informadas pelos fabricantes. Os fabricantes de Leds convencionaram que a vida média de um Led é o tempo necessário para que 50% dos Leds em uma dada instalação apresentem 30% de redução de seu fluxo inicial, ou seja, teremos 70% da luz apresentada no início da instalação. Abaixo deste valor de 70 % a vista humana percebe uma diminuição sensível no fluxo inicial. Em algumas aplicações, como decorativas, balizamento e entretenimento, a preocupação com a depreciação do fluxo não deve ser um fator crítico, já que os leds continuam brilhando e fazendo seu papel, porém na iluminação funcional, este é um fator que não pode ser desprezado.

Led 5mm

Led 1W

Incandescente


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A máxima temperatura de junção do LED, a corrente de funcionamento e o tamanho do dissipador, são fatores críticos para se determinar a vida do LED. A maneira como lidamos com estes fatores, irão determinar a velocidade de depreciação do fluxo inicial e até a queima do componente.

Controle Térmico Alguns cuidados são necessários para o controle térmico do LED, evitando a destruição do mesmo. Tudo começa com a montagem e soldagem do LED em uma placa de circuito impresso especial fabricada em alumínio. Esta placa age como interface entre o chip de led e o dissipador de calor que fará o resfriamento do componente. Devemos desconfiar de soluções com LEDs de potência que não estão montados em placas de circuito com base de alumínio e de módulos de LEDs que não apresentam dissipador ou algum elemento que ajude na dissipação. Mesmo os módulos de LEDs montados em placas de alumínio sem dissipador, só podem funcionar nesta situação se a temperatura ambiente estiver abaixo de 25 graus celsius. Outro erro é pensar que, pelo fato do LED estar encostado em uma superfície metálica, da luminária por exemplo, o problema da dissipação já esta solucionado. Devemos ter em mente que se o corpo da luminária for de chapa de aço ou aço inox, haverá pequena dissipação, pois estes materiais são péssimos condutores de calor.


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Calculando um dissipador O dimensionamento de um dissipador adequando vai permitir o Led trabalhar dentro de condições apropriadas e proporcionar longa vida e baixa depreciação de seu fluxo luminoso. Tj= Tamb + ( Rth J-S + Rth S-B + Rth B-A ) x Pd Rth J-S = Resistência térmica Junção – Base Rth S-B = Resistência térmica Base – Placa Rth B-A = Resistência térmica Placa – Ambiente ( dissipador) Tj = Temperatura da junção semicondutora Tamb = Temperatura ambiente Pd = Potência dissipada ( tensão x corrente direta do Led ) A temperatura de junção ( Tj ) é um dado de catálogo do Led, assim como a resistência térmica entre a junção e a base do Led ( Rth j-b ). Estes são parâmetros indispensáveis para o cálculo do dissipador. Alguns valores típicos são : Rth J-S = Resistência térmica Junção – Base = 15ºC/W ( led de 1W branco ), 9ºC/W ( led k2 branco ) Rth S-B = Resistência térmica Base – Placa = 5ºC/W ( placa de circuito de alumínio ) Rth B-A = Resistência térmica Placa – Ambiente ( dado a ser calculado ! ) Tj = Temperatura da junção semicondutora = 135ºC ( led branco, verde , azul , cyan ) , 120ºC ( led vermelho e ambar ) Tamb = Temperatura ambiente ( depende do local a ser instalado ) Pd = Potência dissipada = 3,42V x 0,350 A = 1,197 W ( led branco , verde e azul ) Cálculo do dissipador : Rth B-A= (( Tj-Tamb)/Pd) – (Rth J-S + Rth S-B ) Vamos calcular o dissipador necessário para um led branco de 1W que trabalhará com 350mA de corrente e estará em um ambiente com temperatura de 40º C ( forro ): Rth B-A= (135 – 40 ) – ( 15 + 5 ) = 59,36ºC/W (3,42 x 0,35)


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O dissipador deverá ter um resistência térmica de 59,36ºC/W ou mais baixa. Com este valor devemos entrar em um catálogo de dissipadores e escolher o modelo adequado. Como exemplo, vamos considerar o dissipador HS2315 que possui 10,2ºC/W de resistência térmica para cada 4 polegadas de comprimento ( 101,6mm). Como sua resistência térmica é bem mais baixa que o necessário podemos cortar o dissipador em um tamanho menor, porém a relação de diminuição não é linear e devemos utilizar uma tabela de conversão fornecida pelo fabricante do dissipador. Se considerarmos um tamanho de 20mm, nosso dissipador apresentará uma nova resistência térmica no valor de: 10,2ºC/W x 2,21 ( tabela ) = 22,54ºC/W . O valor ainda está bem abaixo do necessário, porém por uma questão prática de tamanho, e para deixar uma boa margem de segurança , vamos utilizar 20mm. O dissipador deverá ser parafusado ou colado na placa de alumínio do Led, sempre utilizando uma pasta térmica ou cola térmica que ajudará a transmitir o calor para o dissipador. Em posse do nosso dissipador podemos calcular qual será a temperatura de junção do Led e assim predizer sua vida média. Tj = Tamb + ( Rth J-S + Rth S-B + Rth B-A ) x Pd Substituindo temos : Tj = 40 + ( 15 + 5 + 22,54) x 1,197 W = 90,9ºC O valor é bem abaixo dos 135ºC fornecidos pelo catálogo do Led, portanto o Led trabalhará folgado e com longa vida útil.


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Em situações mais críticas, com potências mais altas envolvidas, é necessário medir as temperaturas nos pontos de teste e obter a resistência térmica real do dissipador. O uso de em termômetro digital e um sensor termopar pode fazer este trabalho sem problemas. A ponta de prova do termopar deve ser colocada em um pequeno orifício (0,7mm), o mais próximo possível da base do Led. Neste ponto vamos medir temperatura da placa. Rth B-A real = (Tboard-Tamb) Pd (W) Binning No processo de fabricação da pastilha semicondutora do Led, dentro de um mesmo lote, ocorrem variações de características de um chip para outro. Para uniformizar estas características e separar os Leds em parâmetros similares, cada Led é separado conforme 3 características importantes : Fluxo luminoso, comprimento de onda ou aparência de cor ( Led branco ) e tensão direta. Este processo recebe o nome em inglês de “ Binning “ e é através da codificação do binning que podemos selecionar Leds com características similares para uma determinada aplicação. Todos os Leds então classificados e identificados dentro de um mesmo lote de produtos. Dentro de cada um dos 3 parâmetros de binning, foram criadas várias categorias de valores e dentro uma categoria temos uma faixa estreita de variação de um determinado parâmetro. Alguns exemplos do uso do binning em aplicações: Se tivermos em uma placa 3 emissores brancos ligados em série, é importante que todos apresentem o mesmo fluxo luminoso e a mesma temperatura de cor. A tensão direta neste caso não é importante pois os leds são alimentados com corrente constante. Se em uma dada aplicação temos 2 leds brancos ligados em paralelo, é importante que além do fluxo e da temperatura de cor, a tensão direta direta dos leds sejam iguais para que a corrente elétrica seja igual para ambos os Leds. Em um conjunto de placas RGB, em uma mesma instalação, é importante que tenhamos classificações iguais de fluxo luminoso e comprimento de onda. Mais uma vez a tensão direta não é importante.


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Exemplos de tabelas de codificação para o Led Cyan da Lumileds : LXHL -PE01 – R 3 J

Sistema ópticos secundários para Leds Os Leds de potência, em sua maioria, apresentam fachos de distribuição bem aberto, 120º em média, fazendo com que sua intensidade seja fraca para os casos de iluminação funcional. O uso de sistemas ópticos secundários se faz necessário para concentrar o fluxo luminoso e assim obtermos vários tipos de distribuição de luz, com várias aberturas de facho. As lentes para Leds são moldadas em um tipo de acrílico para uso óptico chamado PMMA (polymethyl metacrylato). Este material chega a ser mais resistente que o vidro e é facilmente moldado em baixas temperaturas quando comparado com o vidro. As lentes mais comuns para Leds são as lentes colimadoras que concentram o fluxo luminoso do Led. Estas lentes possuem alta eficiência, chegando a 90% de aproveitamento do fluxo, valor este bastante alto quando comparado com os refletores utilizados na iluminação convencional. Com a facilidade de moldagem, as lentes podem adquirir diversos tamanhos e formatos e com diversas características ópticas, o que abre um mundo de possibilidades e arranjos para uso com Leds.


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Projetando com LEDs O Led na iluminação é uma tecnologia nova e em rápido crescimento e desenvolvimento. Manter-se atualizado através de pesquisas e estudos é imprescindível para aproveitar ao máximo esta tecnologia. O projeto com Leds exige alguns cuidados básicos para que possamos oferecer aos clientes todas as vantagens que este produto pode oferecer. - No projeto da luminária temos que conceituar o que realmente desejamos obter. Se é uma luminária para iluminação funcional, um spot para destaque, um balizador, uma arandela, um projetor para uso externo, etc... - Determinar o tipo de Led, a cor, a quantidade e a potência consumida. - Dimensionar a fonte necessária em função de como os leds serão ligados, sejam arranjos em série ou em paralelo com Leds. - Verificar as condições de instalação e utilização da luminária. Uma luminária de uso externo vai receber sol durante o dia e aquecer. Se for para embutir no forro a circulação de ar é limitada. - Determinar a máxima temperatura ambiente de funcionamento e a máxima temperatura de junção que o Led pode trabalhar. Com estes dados devemos calcular o dissipador apropriado. - Testar a eficiência do dissipador em diversas situações de uso. Rever o projeto térmico se necessário. - Se houver limitação no tamanho da luminária que comprometa o uso do dissipador, procure trabalhar com LEDs de menor potência ou diminua a corrente de alimentação. - A vida do LED é um compromisso entre dissipação e corrente de alimentação. Dependendo da aplicação, podemos ter uma luminária com LEDs que dure 10.000 hs e que seja ligada durante 5 minutos por dia, ou seja, o LED vai durar muitos anos! - Determinar as condições de instalação do Led e da fonte de alimentação dentro da luminária, de forma a não comprometer seu projeto térmico é a vida útil dos equipamentos. - Em muitas situações a luminária será completamente selada e o Led e a fonte não poderá falhar, senão haverá prejuízos. - Com equipamentos de uso externo, ao tempo, devemos nos lembrar que o LED e sua fonte de alimentação são componentes eletrônicos, portanto sensíveis a humidade. - Não existe um projeto bem feito sem testes, testes e mais testes !


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Fontes de Alimentação para Leds Assim como os Leds estão trazendo uma nova perspectiva na iluminação moderna, não podemos nos esquecer que o Led necessita de energia para funcionar, e é a qualidade desta energia que vai proporcionar o aproveitamento de todas as qualidades que os Leds podem oferecer. Desta forma, as fontes de alimentação têm um papel importantíssimo neste cenário . De que adianta um Led durar 50.000 hs ou mais se teremos que trocar a fonte a cada 5.000 hs, ou então, a fonte diminuir a vida do Led para menos de 10.000 hs por falta de regulação. Com esta visão, a industria eletrônica mundial tem desenvolvido soluções cada vez mais inteligentes e baratas para o acionamento dos Leds, visando confiabilidade e longa vida. Com a preocupação global com o consumo de energia elétrica, a maioria das fontes para Leds é baseada em fontes do tipo chaveada “. Este tipo de fonte apresenta as seguintes características”: • Alta eficiência de conversão energética, chegando a 95 %. • Tamanho compacto, já que não utilizam transformadores grandes e pesados. • Aquecem pouco devido a sua alta eficiência. • Incorporam sistemas de proteção contra curtos e sobrecarga. • Muitas vezes são universais e podem ser ligadas em qualquer rede , 127 ou 220V. • Mantém a potência na saída constante, independentemente da tensão de entrada. • Entrega corrente constante para os Leds, ideal para seu funcionamento. • Podem ser comandadas por sistemas de automação e controle. • Permitem facilmente a dimerização dos Leds.

Fontes de alimentação chaveadas Uma fonte chaveada é uma fonte de alimentação eletrônica que incorpora um regulador chaveado. O circuito controlador liga e desliga a corrente na carga (led), através de um transistor e uma bobina, ligando e desligando rapidamente, de forma a manter uma corrente de saída constante. Quando o transistor é ligado é fornecida corrente para os LEDs e ao mesmo tempo a bobina fica carregada com está corrente. Ao desligar o transistor, a bobina passa a fazer o papel de fornecer corrente aos LEDs. Ao ligar o transistor novamente, começamos um novo ciclo.


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Tipos de fontes de alimentação para LEDs Primeiro tipo: Ligação direta na rede elétrica 127/220V ou gerador. Seu uso é geral para a alimentação de LEDs e é o modelo mais amplamente encontrado. Segundo tipo: A alimentação é fornecida por baterias automotivas ou qualquer fonte de corrente contínua de 12 a 24 volts. São utilizados em sistemas dentro de automóveis, barcos, aeronaves, sistemas de emergência, etc... Terceiro tipo: A alimentação é fornecida por um transformador eletromagnético de 12 volts alternados, normalmente utilizados em lâmpadas dicróicas. A aplicação mais comum é quando queremos substituir lâmpadas dicróicas por sistemas de LEDs, aproveitando o transformador existente. Não devemos utilizar transformadores eletrônicos para dicróicas nestas fontes para LEDs. Quarto tipo: Alimentamos a fonte por meio de pilhas ou baterias recarregáveis com tensão bem mais baixa que os LEDs necessitariam para funcionar. Neste caso a fonte se encarrega de aumentar a tensão de saída para que possamos ligar 1 ou mais LEDs e ainda fornecer a corrente necessária para o funcionamento dos mesmos. Muitas vezes basta uma única pilha de 1,5 volts para acender vários LEDs. Encontramos esta fonte em lanternas, sistemas de energia solar e de emergência.


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Capacidade das fontes de alimentação para LEDs A capacidade de uma fonte de alimentação de LEDs é dada pela máxima tensão de saída que ela pode fornecer e por sua corrente, que deve ser constante, independente do número de LEDs que colocamos na saída. Assim, vamos supor uma fonte que tenha tensão máxima de saída de 24 volts e corrente de 350mA. A corrente define o tipo de LEDs que vamos utilizar, 1W neste caso. Sabemos que a tensão direta de funcionamento do LED branco é de aproximadamente 3,4 Volts, logo em 24 volts podemos ligar até 6 LEDs em série ( 6 x 3,4=20,4V ), já que a tensão é grande o suficiente para alimentar todos os LEDs. Com a utilização de LEDs vermelhos, poderemos ligar até 8 LEDs, pois sua tensão esta em 2,8 Volts. Devemos lembrar que estamos falando em fontes de corrente constante, que mantém a corrente não importanto o número de LEDs . Se utilizarmos uma fonte de tensão constante, 24 volts neste exemplo, devemos aplicar um circuito adicional para limitar e controlar a corrente nos LEDs. Não existindo este controle, os LEDs podem queimar instantâneamente. Dimerização Os leds podem ser facilmente dimerizados através de fontes de corrente constante e quase todos os chips reguladores de corrente para Leds possuem uma entrada de controle para essa função. A dimerização é efetuada com o acionamento e desligamento da fonte de corrente em uma frequência acima de 100 hertz (ciclos por segundo), para que a nossa visão não perceba o efeito de ligar e desligar o Led. O sinal que injetamos na fonte para efetuar o ligar e desligar do Led, chama-se PWM ou modulação por largura de pulso. O sinal PWM é uma onda quadrada de frequência fixa em que os tempos de ligado e desligado da onda são variados de forma a conseguirmos o nível de dimerização desejado. O led também pode ser dimerizado se simplesmente variarmos a corrente direta que alimenta o mesmo, porém ao variarmos a corrente a cor do Led se altera, saindo muito fora do seu espectro original. Como sabemos as características do Led são levantadas considerando a sua corrente nominal de funcionamento e ao variarmos a corrente estamos alterando suas características.


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Com o sinal PWM modulando a fonte de corrente, quando a corrente estiver ligada e fluindo, o Led receberá sua corrente nominal de funcionamento, mesmo que por um pequeno período de tempo, porém sua intensidade irá variar pois o Led passa e enxergar a corrente média entre os tempos de ligado e desligado. O sinal PWM é gerado pelo sistema de automação que controlará o Led. Isto é normalmente feito por um microprocessador que tem a função específica de controlar a iluminação através de um sistema de controle. Este sinal PWM pode ser encadeado para outras fontes e controlar vários Leds ao mesmo tempo.

Dúvidas frequentes Por que corrente constante ao invés de tensão ? Como já vimos, na construção dos Leds, todos os seus parâmetros como fluxo, tensão direta, comprimento de onda, são levantados em função de uma corrente constante de funcionamento. Com a corrente constante podemos ter certeza que todas as características de um ou mais Leds, aplicados em um mesmo sistema, serão sempre as mesmas, já que todos são percorridos pela mesma corrente (ligação em série). Se usarmos fontes de tensão para alimentar Leds de potência e não temos um regulador de corrente, normalmente temos que utilizar uma resistência para limitar a corrente nos Leds. Esta resistência, quando percorrida por uma corrente alta, dissipa muito calor, e se não for bem dimensionada pode queimar e não mais limitar a corrente nos Leds.


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Outra limitação é que a resistência, com o aquecimento, muda sua resistência interna, variando a corrente que circulará pelos Leds. Quando utilizamos tensão constante ? As fontes de tensão constante podem ser utilizadas para alimentar os Leds, quando sabemos que teremos um regulador de corrente constante logo após a tensão, assim não precisamos nos preocupar com variações de corrente nos Leds. Também encontramos as fontes de tensão para alimentar Leds de pequena potência, ( Leds de 5mm para 20mA), normalmente utilizados em fitas ou réguas de Leds. Estas réguas de Leds possuem resistores de limitação de corrente na própria placa de circuito e como são percorridos por pequenas correntes, sua dissipação de calor é mínima, assim pequenas variações de corrente são toleradas, já que estas fitas de Leds não foram fabricadas para durar muito ( < 10.000 hs ), sendo a sua aplicação menos crítica. Quais são as correntes diretas de alimentação dos Leds de potência ? Com a fabricação dos Leds por diversos fabricantes, algumas correntes de alimentação tornaram-se padrões de mercado e diversos fabricantes de chips para fontes acabaram criando produtos dentro destas faixas de corrente. A princípio os Leds podem ser alimentados com outros valores de corrente, respeitando-se o limite superior fornecido em catálogo, em função do tipo de aplicação e a vida que se deseja dar ao LED. Podemos considerar as seguintes correntes de funcionamento encontradas no mercado : - 350mA (0,35 A ) para Leds com até 1,4 W - 700mA (0,7 A ) para Leds com até 3 W - 1000mA ( 1 A ) para Leds com até 5 W. Aqui podemos esperar uma vida menor dos Leds ! - 1500mA (1,5 A ) para Leds com mais de 6W. Também a vida será reduzida (< 20.000 hs) ! Qual a diferença entre ligar os Leds em série ou em paralelo ? Normalmente ligamos os Leds em série para que todos possam ser percorridos pela mesma corrente (350mA), porém algumas vezes não dispomos de uma fonte que forneça a tensão necessária para alimentar todos os Leds. Neste caso, podemos utilizar uma fonte com o dobro da corrente ( 700mA ) e ligar os Leds em paralelo 2 a 2. Para ligar os Leds em paralelo é preciso garantir que a tensão direta seja a mesma para os dois, pois se forem diferentes, a corrente dividida será diferente em cada Led.


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Por que não devemos desligar os Leds com um interruptor ligado na saída de corrente da fonte ? A fonte de corrente utiliza o Led como parte integrante do circuito para que possa monitorar a corrente que passa através do mesmo e mantê-la constante. Alguns componentes eletrônicos na saída da fonte, fazem um processo de carga e descarga de corrente de forma cíclica sobre o Led, porém se desligamos o Led da saída, mantendo a fonte ainda ligada, estes componentes podem se manter carregados de energia e da próxima vez que ligarmos o Led na saída da fonte, ocorre a descarga desta energia sobre o Led. A energia armazenada nos componentes pode produzir um fluxo de corrente inicial muito maior que o Led pode suportar, queimando o mesmo.

Ligação correta Ligação errada Que tipo de proteção podemos encontrar nas fontes para Leds ? As fontes para Leds utilizam circuitos eletrônicos especialmente projetados para regular a corrente através deles. Os fabricantes de componentes sabem que um bom produto tem que possuir vários tipos de proteção devido às condições adversas que as fontes muitas vezes são instaladas. Estas proteções podem ser : - Contra curto circuito – os Leds podem entrar em curto e também curto circuitar a saída da fonte – um dispositivo interno desliga a saída da fonte e evita maiores danos. - Proteção contra sobrecarga – podem ser ligados mais Leds que a fonte pode suportar – a saída se desliga nestes casos. - Proteção térmica – apesar da fonte ser de alta eficiência e aquecer pouco, ela pode ser instalada em um ambiente muito quente. A saída se desliga caso ultrapasse certa temperatura. - Proteção contra surtos e picos de tensão – nossa rede elétrica por ser de má qualidade e continuamente ocorrer variações e picos muito elevados de tensão na entrada, neste caso, alguns componentes se queimam de forma a evitar maiores danos aos Leds. Estes componentes podem ser fusíveis, varistores ou fusistores.


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Importância dos leds no mercado de iluminação Consumo de energia A iluminação representa 20 % de toda a eletricidade gerada, transmitida, distribuida e consumida no mundo. O consumo cresce sem parar em todo o mundo, principalmente na Asia, devido ao intenso crescimento econômico industrial, porém a geração de energia não consegue acompanhar o atual nível de consumo e mesmo se conseguisse o impacto ambiental seria imenso. Nos próximos 10 anos o crescimento no consumo de energia nos EUA estará em 19 %, sendo que a geração crescerá apenas 6 % !

Impactos da substituição da iluminação por LEDs Diminuição de 50% do consumo de eletricidade com a iluminação;

Diminuição de 10% do consumo global de eletricidade;

Redução da necessidade de geração de 1.100 bilhões de KWh/ano;

Economia de US$ 100 bilhões / ano;

Liberação de 125 bilhões de W de eletricidade para outros usos;

Redução da emissão global de carbono em 200Mton/ano;

Geração de novos negócios, novas oportunidades, novos mercados .

Mercado mundial de LEDs (2006) FIM

manual de utilizacao de leds e fontes de alimentacao

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