Acionando LEDs de potência
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- Criado em Quarta, 25 Janeiro 2012 22:10
- Última atualização em Terça, 28 Agosto 2012 22:06
- Escrito por Marco Ortiz
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Neste artigo vamos abordar:
- Os principais métodos de acionamento de LEDs de potência;
- Particulares vantagens e desvantagens de casa sistema;
- Algumas considerações num projeto profissional.
Ao final serão indicados os sites de alguns fabricantes de LEDs, de semicondutores para acionamento, assim como alguns distribuidores.
Uma pequena história dos LEDs
Bom, história, história... isso fica para as enciclopédias, Wikipédia por exemplo.
Mas falando brevemente, até uns 15 anos atrás os leds estavam relegados a aplicações de indicação, displays, em telecomunicações e em alguns tipos de laser.
Não se falava em utilização de LEDs de potência para iluminação, ao menos no meio dos meros mortais. Recentemente, há uns 10 anos os primeiros tipos comerciais começaram timidamente a aparecer e com eles as primeiras aplicações, como protótipos e testes de conceitos, demonstrações, etc. Ainda não havia uma viabilidade comercial para as aplicações de iluminação comuns. Recentemente com a queda do preço, o LED invadiu o mundo da iluminação de decoração, vias públicas, "out-doors", iluminação profissional para estúdios e filmagens e iluminação profissional, celulares, etc. Na prática, tem ganhado espaço pois já tem um rendimento melhor que muitas lâmpadas, aquecem relativamente pouco em relação à energia luminosa irradiada, vantagens na qualidade da cor, vida útil muito longa, dentre outras características.
LEDs de iluminação modernos
Hoje se pode encontrar uma vasta gama de tipos de LEDs voltados para iluminação especificamente. Dentre as características dos LEDs de iluminação, podemos destacar:
"Alta" potência
Já é bastante comum falarmos em LEDs com 1 watt de potência, alguns modelos modernos operam com 2W, e outros especiais operam com dezenas de Watts. Comparado ao antigo LED vermelho FLV110 há mais de 20 anos atrás com sua potência e rendimento baixíssimos isso é uma revolução...
Cor
As diversas técnicas de dopagem da junção permitiram que hoje existam LEDs nas mais diversas cores além do tradicional vermelho, amarelo e verde, como o azul e o branco, e as diversas combinações dessas cores.
Temperatura de cor
Uma outra consequência das modernas técnicas de dopagem é a temperatura de cor do branco, desde algo em torno dos 3000K até altas temperaturas, como 9000K. Num sistema de iluminação isso influencia como as cores dos objetos serão reproduzidas para a visão para os sistemas de imagem.
Arranjo para acionamento de LEDs
Em série
O acionamento em série dos LEDs garante um brilho uniforme entre componentes de um mesmo fabricante/modelo. É o sistema mais utilizado quando é necessário que o brilho relativo entre um conjunto de LEDs seja uniforme. A desvantagem é que a confiabilidade do sistema é mais baixa de que cada componentes. Na prática o MTBF inicial do sistema é o de cada componente individual dividido pelo numero de componentes. Em algumas configurações e aplicações isso pode ser inaceitável. Veja mais detalhes no artigo "Cálculo de confiabilidade em associações de componentes".
As principais características são:
- "baixa" confiabilidade do sistema;
- brilho uniforme entre os elementos;
- em operação normal o rendimento é o mais alto de todas as configurações;
- apenas um circuito de controle de corrente e tensão;
- tem o menor custo.
Em paralelo
A configuração em paralelo ao contrário da associação em série possui uma alta confiabilidade, como mostrado no artigo "Cálculo de confiabilidade em associações de componentes". Porém como é mais difícil equalizar as tensões e correntes nos elementos então uma diferença de luminosidade entre os LEDs pode ser notada. Uma outra dificuldade é equalizar a tensão e correntes mínimas e máximas em cada elemento no caso de uma falha. Há necessidade de acréscimo de um resistor com resistência bem baixa para equalizar pequenas diferenças entre os elementos. Num resumo então as características são:
- alta confiabilidade;
- o brilho entre os elementos pode não ser uniforme;
- dificuldades de equalização no caso de falha de elementos;
- rendimento menor do que numa associação em série;
- pode necessitar de mais de um circuito de controle de corrente e tensão.
Misto série-paralelo
Nem um nem outro. Essa associação é bastante interessante pois permite equalizar:
- a confiabilidade;
- a equalização do brilho;
- custo do sistema;
- rendimento;
Tecnologias para alimentação dos LEDs
Acionamento com fonte DC e resistor
Esse método é o mais simples de todos. Entretanto tem-se que observar que a tensão de alimentação deverá ser maior que a tensão de operação do LED ou dos LEDS que serão colocados em série.
Basta colocar em série com o LED ou LEDs um resistor. A corrente de circulação nos LEDs vai depender do valor do resistor e da queda de tensão no mesmo na forma:
$$V_{Resistor}=V_{Alimentação}-V_{LED}$$
$$I_{LED}=I_{Resistor}=\frac{V_{Resistor}}{R}=\frac{V_{Alimentação}-{V_LED}}{R}$$
E o rendimento fica, levando se em conta a energia entregue ao circuito e a energia entregue ao LED:
$$P_{Total}= V_{CC}*\frac{V_{Alimentação}-{V_LED}}{R}$$
Energia Útil (entregue ao LED:
$$P_{LED} = V_{LED}*\frac{V_{Alimentação}-{V_LED}}{R}$$
$$Rendimento = \frac{P_{LED}}{P_{Total}}$$
$$Rendimento = \frac{V_{LED}*\frac{V_{Alimentação}-{V_LED}}{R}}{V_{CC}*\frac{V_{Alimentação}-{V_LED}}{R}} $$
$$Rendimento = \frac{V_{LED}}{V_{CC}}$$
Ou seja, quanto maior a queda de tensão no resistor, maior a perda no circuito. E toda a energia do resistor é perdida para o ambiente em forma de calor. Se a queda de tensão no resistor for muito alta, o rendimento pode ser muito baixo.
Acionamento por regulador linear
O acionamento por regulador linear também é bastante simples e provém um adicional que o a rede de LEDs sempre vai receber um valor de corrente constante, garantindo portanto a sua região de brilho máximo. Entretanto, como no caso da alimentação com regulação de corrente com resistores, peca por ter um rendimento mais baixo que as regulagens chaveadas.
Acionamento por fonte chaveada buck boost
A alimentação de LEDs por fonte Buck ou Boost a partir de uma fonte DC qualquer (bateria ou retificação direta da rede) provém uma adequada regulação de corrente nas redes de LED enquanto que mantém um alto rendimento, devido ao fato de que o regulador é chaveado.
Entretanto em algumas aplicações alimentadas pela rede DC onde há requisito de isolação galvânica (como por exemplo em produtos de consumo doméstico, principalmente quando se pensa em exportação para a Europa e Estados Unidos) esse sistema não é indicado pois o circuito mantém contato elétrico diretamente com a rede, apenas retificando, filtrando e regulando a corrente. Se alguém inadvertidamente tocar os terminais dos LEDs provavelmente vai tomar um choque.
Acionamento por fonte chaveada isolada
Talvez o mais perfeito e também o mais caro sistema. Provém regulação da tensão, isolação galvânica e alto rendimento.
Trata-se de alimentar a rede de LEDs com uma fonte chaveada isolada de qualquer tipo tendo o cuidado de projetar um circuito no secundário onde seja possível a regulação da tensão e da corrente nos terminais dos LEDs.
Sem regulação
Existe ainda uma outra maneira "bizarra" que é ligando a rede com os LEDS em série diretamente na alimentação DC ou rede AC. Note que não é qualquer LED que suporta esse tipo de alimentação. Os problemas inerentes desse sistema são
- Os LEDs tem que ser de um tipo especial;
- A tensão deve variar dentro de um range muito estreito;
No Brasil a rede elétrica varia bastante, principalmente quando analisamos a eletrificação rural e em algumas cidades pequenas e principalmente nos estados do norte e nordeste, onde a rede é mais extensa e o sistema menos regulado. Portanto extremamente desaconselhável quando pensamos um produto para distribuição nacional (no caso, Brasil). Se levarmos em consideração o valor da tensão da rede retificada e a quantidade de LEDs que devem ser montados em série, a confiabilidade do sistema pode ficar baixíssima (veja artigo "Cálculo de confiabilidade em associações de componentes").
Exemplo: Uma rede de LEDs em série é utilizada com alimentação direta da rede 127 VAC retificada. Se a vida média de cada led for de 50 anos, qual a vida média do sistema? Dado, cada LED tem uma tensão de polarização direta de 3,5 VDC
Valor da tensão retificada:
$$V_{DC}=127*\sqrt{2}=179,6\;Vdc$$
Então iremos precisar de
$$N_{LEDs}=\frac{179,9}{3,5}=51 \; LEDs$$
Então o MTBF inicial do sistema será de:
$$MTBF=\frac{50*12}{51}=11.7 \; Meses$$
OU seja, o MTBF do sistema para um arranjo com 51 LEDs em série cai de 50 anos (da vida média de cada LED) para menos de 12 meses.
Outros aspectos importantes a serem considerados num projeto
Refrigeração (dissipação de calor)
Todo mundo sabe que o LED é o dispositivo moderno que tem maior rendimento no que se diz respeito à transformação de energia elétrica em luz visível. Entretanto apesar de ser o campeão de emissão luminosa, o rendimento ainda é baixíssimo. Apenas uma pequena parte da 
energia é convertida em luz. O restante vira calor, aquecimento. Então a regra é a seguinte: considere que toda a energia que o LED receber será transformada em calor.
O substrato metálico atualmente é o melhor sistema para a montagem de LEDs de potência.
Estes combinam o tradicional PCB (cobre+dielétrico) com uma lâmina normalmente de alumínio. O LED é montado normalmente por processo SMD na placa. Como o dielétrico isolante tem uma espessura reduzida, o calor é então facilmente transferido para a placa de alumínio, que então dispersa o aquecimento na sua extensão.
Pode ser também montado sobre outro dissipador para uma melhor refrigeração do conjunto.
Correção do fator de potência
O fator de potência é uma medida que relaciona a fase da tensão e da corrente. Se o fator de potência de um equipamento eletrônico é igual a 1 então corrente e tensão estão em fase. Se o fator de potência cai aproximando de zero então corrente e tensão estão defasados.
A correção do fator de potência vem sendo gradativamente impostas aos fabricantes de eletrônicos por diversas razões dentre elas:
- permite que as concessionárias tenham uma melhor cobrança por unidade de energia elétrica, gerando mais impostos para o governos;
- melhora a qualidade do consumo, pois como tensão e fase estão agora casados, a rede elétrica fica mais limpa, menos ruidosa;
- há menos emissão de interferências, pois o consumo de energia é "normalizado".
Dependendo da norma aplicada e da potência do sistema de iluminação, um sistema corretor de fator de potência (PFC - "Power Factor Corrector" em inglês) deverá ser acrescido ao projeto.
Portanto, antes de projetar e fabricar um sistema de iluminação com LEDs tenha ciência das normas aplicáveis no mercado que o produto será comercializado.