Este post irá cobrir essas maravilhosas coisas, LEDs. Vamos tratar sobre como calcular a corrente que passa por um LED e, nesse meio tempo, introduzir duas importantes leis da eletrônica, a Lei de Voltagem de Kirchhoff e a Lei de Ohm. Começaremos realizando experimentos que demonstrarão como a tensão e a resistência afetam a corrente e, em seguida, comprovarão esses resultados com um pouco de matemática.

Não há codificação envolvida neste exercício, e apesar de usarmos um Arduino nas imagens, você não precisa de um para acompanhar. Nós sugerimos algum outro tipo de fonte de alimentação para que você possa experimentar os experimentos, mas você pode usar baterias em um suporte de bateria!

O que é um LED?

LEDs são tão comuns, eles vêm em dezenas de diferentes formas e tamanhos. Os LEDs que você mais usa são os LEDs de passagem com duas pernas. Há muitos LEDs que são pequenos e difíceis de soldar, mas são fáceis de usar com uma placa de ensaio porque eles têm fios longos que podem ser colados. A lâmpada clara ou clara é o que protege o emissor de luz (é onde a mágica acontece ). Na verdade, as duas primeiras letras do LED significam Light Emitting.

Uma coisa muito legal sobre os LEDs é que eles são muito simples. Ao contrário de alguns chips que possuem dezenas de pinos com nomes e usos especiais, os LEDs possuem apenas dois fios. Um fio é o ânodo (positivo) e outro é o cátodo (negativo). Os dois fios têm nomes diferentes porque os LEDs só funcionam em uma direção e precisamos monitorar qual pino é qual. Um vai para a voltagem positiva e o outro vai para a voltagem negativa. Peças eletrônicas que só funcionam em ‘uma direção’ são chamadas de Diodes , é o que significa a última letra do LED .

  • O lead mais longo vai para a voltagem mais positiva
  • Corrente vai em uma direção, do anodo (positivo) para o cátodo (negativo)
  • LEDs que estão “atrasados” não funcionam – mas também não quebram

É tudo um pouco confuso – muitas vezes temos que pensar em qual é qual. Então, para facilitar, há apenas uma coisa que você precisa lembrar e que o LED não acenderá se você colocá-lo de trás para frente. Se você está tendo problemas com LEDs onde eles não estão acendendo, apenas vire-o. É muito difícil danificar um LED colocando-o para trás, por isso não se assuste se o fizer

Todos os diferentes tamanhos e cores

Uma das melhores coisas sobre os LEDs modernos são todas as cores em que eles vêm. Costumava ser que os LEDs eram apenas vermelhos ou talvez amarelos e laranja, e é por isso que os primeiros eletrônicos dos anos 70 e 80 só tinham LEDs vermelhos. A cor emitida por um LED tem a ver com o tipo de material de que são feitos. Tão vermelho, por exemplo, é feito com arseneto de gálio. Desde então, os cientistas experimentaram muitos outros materiais e descobriram como fazer outras cores, como verde e azul, além de violeta e branco. ( Você pode ver uma tabela enorme de todos os diferentes materiais usados para fazer LEDs na página da Wikipedia )

Quando começamos a fabricar produtos eletrônicos no final dos anos 90, compramos alguns LEDs azuis de 5 mm e eles eram de US $ 3 cada . Agora você pode obter facilmente uma dúzia de LEDs por esse preço. 

LEDs vêm em todos os tipos de tamanhos também. Aqui está uma foto mostrando um LED de 3 mm , 5 mm e 10 mm . o tamanho “milimétrico” refere-se ao diâmetro do LED. Por exemplo, se você precisa fazer um furo em uma caixa para o seu LED de 5 mm, o tamanho do furo deve ser de 5 mm, e você precisaria de uma broca de 5 mm para fazer isso. 5mm são o tamanho mais comum que você verá, e eles podem ser extremamente brilhantes!

 

  • LEDs de 5mm podem ser tão brilhantes, eles são freqüentemente usados como iluminação (acendendo alguma coisa, como uma lanterna, vamos falar sobre isso em seguida).
  • Os LEDs de 3 mm não são tão brilhantes, mas são menores, e são bons para indicação (como um LED que indica que algo está ligado). Eles não são tão bons para a iluminação porque eles têm uma área menor que está acesa.
  • LEDs de 10mm são um pouco mais raros, eles são enormes e volumosos, mas geralmente são apenas LEDs de 5mm com um case maior para que eles não sejam mais brilhantes. Eles podem ser bons indicadores, mas raramente os vemos como iluminadores.

Quais são os LEDs usados?

LEDs são usados principalmente para duas coisas: iluminação e indicação. Estas são palavras técnicas, mas são boas para entender, porque se você quer um LED por uma coisa e você compra a coisa errada, você ficará bem chateado.

Iluminação significa “iluminar algo” – como uma lanterna ou faróis. Você quer que seus faróis brilhem como um raio.

Indicação significa “apontar algo para fora” – como um sinal de direção ou luzes de freio em um carro. Você não quer que o sinal de seu carro cegue as pessoas!

Se você pegar o tipo errado, você pode acabar com uma lanterna DIY que é fraca, ou um painel de controle que queima os olhos das pessoas!

LEDs difusos são realmente bons em indicar, eles parecem macios e uniformes e você pode vê-los bem de qualquer ângulo.

LEDs claros são realmente bons em iluminação, a luz é direta e poderosa – mas você não pode vê-los bem de um ângulo, porque a luz está apenas avançando.

Vamos verificar isso. Nesta placa de pareamento, conectei dois LEDs, um vermelho difuso e um LED azul claro. Ambos têm o mesmo resistor (o que significa que eles estão basicamente usando a mesma quantidade de energia). Você deve acompanhar, conectando um de cada um. Use um resistor de 1,0K ou mais do catodo (pino mais curto) ao terra e conecte o ânodo (pino maior) a + 5V.

Quando aceso, você verá que o LED difuso é suavemente iluminado, mas o LED azul é forte e ultra brilhante.

Se você olhar de lado, verá que o LED difuso parece praticamente o mesmo. O LED azul, no entanto, não é tão brilhante do lado, se você olhar com cuidado, você pode ver como há um “cone” fino de luz brilhante do copo que segura o pedaço de silício da lente.

Uma maneira de saber quão brilhante é o seu LED antes de comprá-lo é procurar a classificação milli-candela , às vezes reduzida para o mcd . É um pouco difícil explicar como algo brilhante é com texto ou mesmo fotos (desde que pessoalmente parece diferente). O que vamos fazer é dar-lhe alguns números aproximados de como os LEDs brilhantes parecerão ser para a maioria das pessoas.

MilliCandela Brilho 10 “Dim” indicador, sobre o brilho de um pequeno indicador difuso em um brinquedo eletrônico barato. 

Provavelmente não visível durante o dia.  200 Indicador “Somewhat dim”, sobre o brilho do LED vermelho difuso no exemplo acima. Não visível em plena luz do dia. 

Você pode facilmente olhar para estes 500 “Kinda bright”. Sobre o brilho do LED vermelho difuso se você ligou todo o caminho (faremos isso mais tarde). 

Você pode olhar para estes se você estiver a mais de alguns centímetros de distância, caso contrário, você verá pontos. 1.000 “Bastante brilhante”, sobre o brilho do LED claro no exemplo anterior,

Você pode olhar para estes se você estiver a mais de alguns centímetros de distância, caso contrário, você verá pontos. 5.000 “brilhante!” – estes são tão brilhantes quanto os LEDs de 5 mm ultra brilhantes. Se você acionou o LED claro até o fim (faremos isso mais tarde). Lanternas de LED caras de 5mm, quando novas, são mais ou menos brilhantes. 

Olhando diretamente para isto não é agradável. 20.000 “Really Bright” – os LEDs de 5 mm não são tão brilhantes, mas se você receber os LEDs “1 Watt”, eles facilmente lhe darão 20 candelas de luz. Estes são bons para faróis de bicicleta, grandes lanternas brilhantes e tal. 

Não olhe diretamente para eles, isso machucará seus olhos.

Portanto, um LED ultra-brilhante pode se anunciar como “5000 millicandela!”) – esse é o brilho máximo que você obterá com isso. Em geral, quanto mais brilhante o LED, mais caro ele é.

Alterando o brilho com resistores

Vamos fazer alguns experimentos mexendo nos componentes. LED # 1 terá um resistor de 100 ohm (Brown Black Brown), LED # 2 terá 1.0K (Brown Black Red) e LED # 3 usará um 10K (Brown Black Orange).

Ligue o Arduino e examine como cada LED está aceso de forma diferente.

Como você viu com este experimento, o resistor que usamos com o LED faz a diferença em quão brilhante ele é. Quanto maior o resistor (mais resistência), menor será o LED. Um pequeno resistor (menos resistência) contribui para um LED mais brilhante.

Alterando o brilho com tensão

Tendo aprendido um pouco sobre como usar resistores para alterar o brilho de um LED, tentaremos agora o experimento 2. Desta vez, usaremos apenas resistores de 1.0K, mas conecte os ânodos a diferentes tensões. Um ânodo de LED irá para 3.3 volts outro irá para 5.0 volts e o terceiro irá para o Vin – 9.0 volts.

Ligue o Arduino e examine como cada LED está aceso de forma diferente.

Como você viu com este experimento, a tensão que usamos para conectar ao LED faz a diferença em quão brilhante ele é. Quanto maior a tensão, mais brilhante é o LED. Uma voltagem mais baixa levará a LEDs dimmer.

Brilho máximo!

Vamos fazer outra experiência rápida. Vamos dizer que nós tivemos um resistor mágico com um botão, que poderíamos mudar a resistência de 0 resistência (como um pedaço de fio) a resistência infinita (algo que não conduz, como borracha).

Da mesma forma, digamos que temos uma máquina que pode alterar a tensão de saída, de 0 volts para infinitos volts.

Parece, então, que se queremos um LED realmente muito brilhante, devemos usar apenas um resistor de zero ohm e conectar a tensão mais alta possível, certo? E quem não gostaria de um LED tão brilhante quanto possível?

Vamos construir um circuito de LED com um resistor de zero ohm (também conhecido como um fio) para Vin, então certifique-se de conectar o Arduino na parede com um plug-pack / parede-verruga.

Conecte o LED no arduino para que o pino longo vá para Vin e o pino curto vá para o terra.

O que aconteceu?

O LED está agora permanentemente danificado. A lição? Existem limites para quanta tensão e resistência, se ultrapassarmos os limites, o LED morrerá!

A folha de dados LED

Agora que sabemos que mesmo o poderoso LED tem seus limites, precisamos ter certeza de que permaneceremos abaixo desses limites. Ser gentil com seus LEDs permitirá que eles durem mais e os mantenha brilhantes e brilhantes!

Vamos examinar a folha de especificações para um LED de 5mm, as folhas de especificação também são chamadas de folhas de dados . As folhas de dados são imensamente úteis, elas contêm todas as informações necessárias para um componente eletrônico. Você pode baixar a folha de dados a qual nos referiremos aqui.

A primeira coisa útil que você encontrará é a informação dimensional ‘pacote’. O ‘pacote’ aqui é o próprio LED.

Como você pode ver, o diâmetro principal do LED é de 5mm (é um ‘LED de 5mm’) e há um lábio que o torna em torno de 6mm. O lábio pode torná-lo acessível se você estiver colando o LED em um buraco, para que ele não caia. A folha de dados também informa qual pino é o catodo e outros comprimentos e tamanhos. Note que os números estão em mm com as polegadas em () depois.

Continue rolando para baixo. Em seguida, você encontrará esta pequena mesa. Esta seção informa o brilho do LED no mcd. Como esses são LEDs de uso geral, o brilho pode variar um pouco, esses LEDs são em média de cerca de 250 mcd, mas o fabricante pode vender LEDs com menos de 180 mcd. Essa variação é bem normal.

Mais tarde, na mesma página, está a tabela de características elétricas.

As duas primeiras linhas falam sobre o “comprimento de onda” – essa é uma maneira específica de indicar a cor. Afinal, ‘super bright red’ é uma descrição muito subjetiva. Com o comprimento de onda, podemos saber exatamente qual cor é emitida. 

A terceira linha é basicamente dizendo ‘quanto a cor varia do comprimento de onda?’. 

A quarta linha não é tão importante, vamos pular essa

A quinta linha, no entanto, é o que procuramos…

Voltagem para a frente e KVL

Para cada LED, a fim de usá-lo corretamente, precisamos conhecer a Voltagem Direta . O que é essa voltagem para a frente? Vamos explicar em uma foto:

Em nosso circuito de três peças, temos a bateria (que gera tensão) e o resistor + LED (que usa a voltagem). Vou agora dizer-lhe uma “lei” muito importante da electrônica: 

em qualquer “circuito” de um circuito, as tensões devem equilibrar: a quantidade gerada = a quantidade utilizada

Esta lei de “Voltage Loop” foi descoberta por um sujeito chamado Kirchhoff (assim é chamada de Lei de Voltagem de Kirchhoff = KVL). E podemos ver o loop acima, onde uma parte é feita da bateria de + 9V. A outra metade deve usar o + 9v (tornando-o -9V para que ambas as metades do loop sejam iguais).

Então, o que isso tem a ver com a Voltagem Direta de um LED? Bem, a Voltagem Direta é a ‘voltagem negativa’, usada pelo LED quando está ligada. Meio como uma ‘bateria negativa’! Então vamos modificar nosso diagrama um pouco.

Lei de Ohm

O que é interessante sobre a lei que acabamos de aprender (KVL) é que em nenhum lugar usamos a resistência do resistor. Isso nunca aparece na equação. No entanto, de nossos experimentos anteriores, sabemos que mudar a resistência afeta o brilho do LED. Deve haver algo mais acontecendo, vamos continuar trabalhando para entender os detalhes…

Em seguida, vamos lançar outra lei importante. Este é chamado Lei de Ohm – e descreve como os resistores funcionam.

Voltage através de um resistor (volts) = corrente através do resistor (amperes) * O Resistência do resistor (ohms)

Há uma notação abreviada mais comum que você verá com muita frequência:

V = I * R

Ou as duas outras formas de escrever para resolver a corrente ou resistência:

I = V / R

R = V / I

O V é para tensão, o R é para resistência e o I , confusamente, é para corrente. Sim, isso I é um pouco chato não é, desde há não mesmo um único I na palavra atual? Infelizmente, há 100 anos trabalhando contra nós aqui, portanto, tenha paciência conosco.

A lei de Ohm é muito importante e vale a pena perfurar um pouco para se familiarizar com ela. Sugerimos sugerir outros números de resistências, correntes e tensões de mix + match e usá-los para resolver o valor desconhecido. Se você está trabalhando com um amigo, questione um ao outro e verifique suas respostas ! Há também ‘calculadoras’ online que você pode checar.

Resolvendo a corrente

Vamos combinar agora o KVL e a Lei de Ohm com o nosso diagrama. Nosso LED está ligado a um resistor 1000 (você deve verificar isso verificando as listras cor resistor!), E a tensão em que resistor deve ser 6.8V (a lei do KVL), de modo a corrente através desse resistor deve ser 6.8V / 1000ohm = 6,8 mA (lei de Ohm).

Nosso diagrama está ficando um pouco denso, mas estamos praticamente prontos. A corrente do resistor é de 6,8 mA e essa corrente também passa pelo LED, portanto a corrente do LED é de 6,8 mA. “Big whoop”, você pode estar dizendo. “O que eu me importo com a corrente de LED?” A razão pela qual você deve se importar é que: 

A quantidade de corrente (I) passando por um LED é diretamente proporcional ao brilho que aparece. 

Se aumentarmos a corrente, o LED ficará mais claro . Da mesma forma, se você diminuir a corrente, o LED ficará apagado . Escolhendo o resistor correto, você tem controle total sobre como o LED aparece.

Sempre que usar um LED, tenha sempre um resistor! O resistor limita a corrente, o que evitará que o LED se queime!
 

Na maioria das vezes, você vai querer ter um LED realmente brilhante, então você estará calculando o menor resistor que você pode usar e não danificará o LED. Mas note que quanto mais corrente usada pelo LED, mais rápido você irá drenar a bateria. Portanto, há boas razões para querer controlar o brilho se você tiver uma bateria pequena e quiser que as luzes durem muito tempo.

Uma vez que, como vimos, muita corrente fará o LED ir poof, qual é a melhor quantidade de corrente que devemos usar? Para alguns ‘LEDs de energia’ muito grandes, a corrente pode ser tão alta quanto 1 ou 2 Amperes, mas para praticamente todos os LEDs de 3 mm, 5 mm ou 10 mm, a quantidade de corrente que você espera usar é de 20 mA. Você pode ver isso na folha de dados sobre a qual falamos anteriormente. Veja a coluna mais à direita? IF é a Corrente de Frente (I) e eles usam 20mA.

Para 99% dos LEDs que você encontrará, a corrente ideal é 20 milliAmperes (0,02 A), mas não tenha medo de empurrá-lo para 30mA se precisar de um pouco mais de brilho.

Revisitando Resistores

Vamos voltar e lembrar de nossos dias mais novos, quando estávamos conectando diferentes resistores aos LEDs, querendo ou não. Você pode se lembrar dessa placa de proteção, onde usamos três LEDs vermelhos e um resistor de 100 ohm, 1000 ohm e 10.000 ohm para ajustar o brilho.

Desde que é tão importante para você ter prática usando as leis que você acabou de aprender, nós vamos ter outro teste. Por favor, tente resolver os problemas usando os diagramas acima. Sim, existem calculadoras on-line que farão isso por você, mas parte do aprendizado de eletrônicos está sendo capaz de fazer os cálculos mesmo em uma ilha deserta. 

Agora você pode ver como a mudança do resistor afeta o brilho e porque um resistor menor significa um LED mais brilhante.

Revisitando Volts

Agora vamos voltar a visitar outro dos nossos experimentos anteriores, desta vez vamos olhar novamente para a placa LED de três voltagens. Esta placa de montagem usava 3 voltagens diferentes ( 3.3V , 5.0V e 9.0V ) e o mesmo resistor. Como você se lembra, quanto maior a tensão, mais brilhante é o LED, mesmo com o mesmo resistor.

Como você viu nos cálculos, o aumento da tensão alimentando o resistor e o LED aumenta a tensão no resistor, o que faz com que mais corrente flua.

Qual devo ajustar?

Dado que você tem duas maneiras de ajustar o brilho de um LED, resistor e tensão, qual você deve usar? Ou seja, você deve aumentar a tensão (adicionando baterias) ou diminuir a resistência para obter um LED mais brilhante? A resposta está em como a energia é usada:

A bateria (ou fonte de alimentação) gera energia, o LED e o resistor usam energia, mas o fazem de maneiras diferentes. O LED usa a energia para fazer luz (mais energia, mais luz). O resistor não faz luz, faz calor (mais potência, mais calor). E como você sabe do último teste, qualquer voltagem deixada pelo LED é usada pelo resistor. Essa voltagem e corrente no resistor é perdida para sempre como calor e não faz nada útil em nosso circuito. Já que é ineficiente bombear toda a nossa bateria para o ar como calor, devemos fazer a energia usada pelo resistor o menor possível, e a melhor maneira de fazer isso é manter a tensão baixa.

O resultado? Se você precisa tornar um LED mais brilhante, adicionar baterias é um desperdício: é melhor usar um resistor menor! Se você estiver fazendo uma fonte de alimentação, adicionando AA’s em um pacote, tente ter um mínimo de metade ou um volt de ‘headroom’ acima da maior tensão direta, para que você possa ter um pequeno resistor, em torno de 100 ou 200 ohms. Indo mais baixo do que isso não é sugerido porque a voltagem para frente pode variar, e os resistores podem variar, e a bateria pode variar e todas essas pequenas variações de 0,2 Volts ou mais se somam e você não obterá o brilho desejado.

Ajustando o Brilho

Vamos terminar apresentando outra parte que está na sua mochila. Este é o potenciômetro ou wiper.

Lembre-se, quando falamos sobre ter um resistor mágico que poderíamos mudar de 0 ohms para infinitos ohms e usá-lo para pensar em como a resistência mudava o brilho do LED? Bem, isso não é uma coisa tão imaginária afinal, na verdade eles são bastante comuns. Potenciômetros são resistores que são ajustáveis com um botão. 

Potenciômetros, como resistores, têm um valor de Ohm. Por exemplo, este potenciômetro é um 2Kohm (seu topo impresso). Os potenciômetros possuem três pinos, dois externos e um intermediário. O pino do meio às vezes é chamado de limpador.

Você pode ver porque é chamado o limpador, abrindo o wiper, é literalmente como um limpador de para-brisa! O material preto-marrom que vai 3/4 ao redor do círculo é o material do resistor, a resistência de uma extremidade à outra é de 2Kohm para esse cara. Como o limpador (a coisa de três dedos) se move de uma extremidade a outra, a resistência entre esse pino e o pino direito ou esquerdo muda, quanto mais próximo o limpador estiver do pino lateral, menor a resistência. Quando o wiper é girado completamente para a esquerda, a resistência entre o pino esquerdo e o pino do meio é zero ohms e a resistência entre o pino do meio e o pino direito é de 2Kohms(ou qualquer que seja o máximo desse potenciômetro). Quando o wiper é girado todo para a direita, é o oposto. 

 

A resistência entre os dois pinos externos é sempre a mesma. A resistência entre o pino do meio e o pino esquerdo ou direito muda! 

O símbolo esquemático de um potenciômetro se parece com isso, é como se houvesse um resistor, e então a seta apontando para o meio é o limpador. A pequena seta à esquerda indica o caminho que o limpador move quando o potenciômetro gira no sentido horário (não é muito importante, se você errar em uma placa de proteção, basta girar o pote.

É claro que acabamos de aprender muito sobre o uso de resistores para ajustar a corrente que passa por um LED, podemos usar o botão do potenciômetro como uma forma física de controlar o LED.

Use um potenciômetro de 10K para este exercício, encontre um que tenha 103 impresso nele (isto é o mesmo que 10 (primeiros dois dígitos) com 3 zeros depois = 10.000).

Observe que estamos nos conectando ao limpador e a uma extremidade, não às duas extremidades. Além disso, temos um resistor de 100 ohms entre o potenciômetro e o LED.

Tente construir este circuito, verifique se o LED escurece e ilumina quando o potenciômetro é girado.

Os 100 ohms são adicionados à resistência do potenciômetro!

Por que temos mesmo 100 ohms? Não podemos simplesmente ajustar o potenciômetro para obter qualquer resistência que queremos? Sim, mas pense no que aconteceria se não tivéssemos o resistor de 100 ohms e reduzíssemos o potenciômetro… a resistência seria zero! Resistência zero é o mesmo que nenhuma resistência, e sabemos que não ter resistência é muito ruim para um LED porque não há nada que limite a corrente que flui através do LED. Por essa razão, temos o resistor adicional de 100 ohm. Isso mantém a resistência de nunca passar de 100 ohms. 

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