LED: Como Funciona, Como Ligar, Calcular e Usar com Segurança

Um diodo emissor de luz (LED) é um diodo semicondutor que emite luz quando a corrente passa por ele no sentido direto. LEDs são econômicos, duráveis e baratos, e são usados em luzes indicadoras, telas, iluminação de fundo e iluminação geral. Diferente de uma lâmpada, o LED precisa de uma corrente adequada e deve ser ligado no sentido correto. Este artigo explica como o LED funciona, como ler o símbolo e os terminais, as cores e suas tensões diretas, como calcular o resistor em série, como ligar vários LEDs, como reduzir o brilho e como usá-los com segurança junto de um microcontrolador.

O que você precisa

Você deve entender a lei de Ohm e como calcular potência, a partir do artigo sobre resistores deste site. Uma bateria de 9 V ou uma fonte USB de 5 V, alguns LEDs, resistores entre 100 Ω e 1 kΩ, uma protoboard e um multímetro são suficientes para testar cada exemplo. Nunca ligue um LED diretamente a uma bateria ou fonte sem um resistor limitador de corrente, porque o LED puxará uma corrente excessiva e queimará em poucos segundos.

Ilustração

Tópico 1: Como o LED funciona

O LED é um diodo, então ele só deixa a corrente passar com facilidade em um sentido. O material dentro do chip é escolhido para que elétrons e lacunas se recombinem e liberem energia na forma de luz. A cor depende da energia do intervalo do material, por isso cores diferentes exigem tensões diretas diferentes.

Sentido direto e reverso

Quando o anodo (lado positivo) está em uma tensão maior que o catodo (lado negativo) pela tensão direta, a corrente passa e o LED acende. Com tensão reversa, o LED bloqueia a corrente e não acende. Uma tensão reversa acima de alguns volts pode danificar o chip, então nunca teste um LED com uma fonte ligada ao contrário.

Por que a cor muda

LEDs vermelhos, laranjas e amarelos usam materiais como arseneto de gálio e alumínio, ou fosfeto de gálio, alumínio e índio. LEDs verdes, azuis e brancos usam materiais de nitreto, e o LED branco normalmente combina um chip azul com uma camada de fósforo. Fótons de energia mais alta (azul e branco) exigem uma tensão direta mais alta.

Eficiência e calor

O LED converte a maior parte da sua energia elétrica em luz, mas parte dela vira calor. O calor precisa sair do chip pelos terminais ou por um dissipador. LEDs de alta potência sem dissipador podem perder brilho e vida útil rapidamente, porque a temperatura do chip sobe.

Tópico 2: Símbolo, terminais e polaridade

O símbolo é um diodo com duas pequenas setas que se afastam dele, indicando que a luz sai do componente. O anodo é o lado do triângulo, e o catodo é a barra vertical. A foto mostra o símbolo acima da peça real, para que você possa comparar a imagem com um LED de verdade.

Dois símbolos

O triângulo vazado e o triângulo preenchido na foto são duas formas do mesmo símbolo. O triângulo aponta no sentido da corrente direta, do anodo para o catodo. As setas indicam a luz emitida, e só aparecem em LEDs.

Identificando os terminais

Em um LED padrão de 5 mm, o terminal mais comprido é o anodo (positivo). Um lado achatado na borda de plástico e um ponto plano no suporte interno dos terminais marcam o catodo (negativo). Confira os dois, porque os terminais podem ser cortados em tamanhos diferentes. Um multímetro no modo diodo também mostra qual terminal é qual.

Testando um LED

Coloque o multímetro no teste de diodo. A ponta vermelha no anodo e a preta no catodo devem indicar uma tensão de cerca de 1,8 a 3,4 V, dependendo da cor, e o LED deve acender fracamente. Se as pontas forem invertidas, não deve haver leitura nem luz. Teste apenas com uma fonte de corrente limitada, porque a corrente do teste do multímetro pode ser suficiente para acender um LED fraco.

Tópico 3: Cores e tensão direta

Cada cor tem uma tensão direta típica, que é a tensão no LED quando ele conduz sua corrente normal. A tensão direta varia de cor para cor, e a folha de dados fornece o valor exato de cada componente.

Valores comuns

LEDs vermelhos ficam em torno de 1,8 a 2,2 V, laranjas e amarelos em torno de 2,0 a 2,2 V, verdes em torno de 2,0 a 3,2 V dependendo do tipo, e azuis e brancos em torno de 2,8 a 3,4 V. LEDs rosas e magenta são muitas vezes feitos com chip azul ou branco mais fósforo, por isso seus valores são mais altos. Use a folha de dados quando precisar de números exatos.

Corrente nominal

LEDs indicadores padrão são projetados para uma corrente direta contínua de cerca de 20 mA, e muitos já ficam bem iluminados com 10 a 15 mA. Ultrapassar a nominal máxima reduz a vida útil e pode queimar o LED. Alguns LEDs de alta potência são feitos para centenas de miliamperes e precisam de um driver de corrente constante, e não de um resistor simples.

Brilho e corrente

O brilho depende da corrente, não diretamente da tensão. Uma pequena mudança na tensão direta causa uma grande mudança na corrente, por isso um LED nunca deve ser ligado diretamente a uma fonte de tensão. Um resistor em série fixa a corrente e torna o brilho previsível.

Tópico 4: Calculando o resistor em série

O resistor em série absorve a tensão que o LED não usa e define a corrente. A fórmula é R = (V_fonte − V_f) ÷ I_f, e a potência do resistor é P = (V_fonte − V_f) × I_f.

A fórmula

Pegue a tensão da fonte, subtraia a tensão direta do LED e divida pela corrente direta desejada. Para um LED vermelho com 5 V a 20 mA, R = (5 − 2) ÷ 0,02 = 150 Ω. Escolha o valor padrão mais próximo que dê uma corrente menor, como 150 Ω ou 180 Ω.

LED azul com 9 V

Um LED azul com tensão direta de 3,2 V a 15 mA, alimentado por 9 V, precisa de R = (9 − 3,2) ÷ 0,015 = 386,7 Ω. O valor padrão mais próximo é 390 Ω, que dá uma corrente de 5,8 ÷ 390 = 14,9 mA. A potência no resistor é 5,8 × 0,0149 = 0,086 W, então um resistor de 1/4 W é suficiente.

LED branco com 12 V

Um LED branco a 3,2 V e 20 mA, alimentado por 12 V, precisa de R = (12 − 3,2) ÷ 0,02 = 440 Ω. Escolha 470 Ω, que dá 8,8 ÷ 470 = 18,7 mA, com segurança abaixo da nominal. Confira sempre a potência do resistor, porque uma tensão de fonte maior faz o resistor trabalhar mais.

Tópico 5: Vários LEDs: série, paralelo e resistores separados

Há mais de uma maneira de acender vários LEDs. Cada arranjo tem requisitos diferentes de tensão e corrente, e um arranjo errado pode deixar um LED fraco e outro sobrecarregado.

LEDs em série

Três LEDs vermelhos em série a partir de 12 V têm tensão direta total de cerca de 3 × 2 = 6 V. O resistor absorve o restante: R = (12 − 6) ÷ 0,02 = 300 Ω. A mesma corrente passa por cada LED, então o brilho é igual. A fonte precisa ser alta o suficiente para a tensão direta total, e se um LED queimar aberto, o circuito inteiro apaga.

LEDs em paralelo: use um resistor para cada um

Não compartilhe um único resistor entre LEDs em paralelo. Cada LED tem uma tensão direta ligeiramente diferente, e o de menor tensão puxa a maior parte da corrente e queima primeiro. Dê a cada LED em paralelo seu próprio resistor em série, e o brilho ficará uniforme.

Misturando cores

Um circuito em série só pode misturar cores se a tensão total permitir. LEDs vermelhos e azuis em série têm tensões diretas diferentes, então a corrente é definida pela fonte e pelo resistor, e cada LED conduz a mesma corrente. Verifique a soma das tensões diretas antes de misturar.

Tópico 6: Reduzindo o brilho com PWM

A forma mais simples de reduzir o brilho de um LED é diminuir sua corrente, mas a cor pode mudar em correntes baixas. A modulação por largura de pulso (PWM) liga e desliga o LED rapidamente, e o olho enxerga o brilho médio, controlado pelo ciclo de trabalho.

Como o PWM funciona

O PWM aciona o LED com uma onda quadrada. Com ciclo de trabalho de 25 por cento, o LED fica aceso durante um quarto de cada período, e a corrente média é 25 por cento da corrente total. Com corrente total de 20 mA, a média é 5 mA, e o olho percebe cerca de um quarto do brilho.

Frequência

Use uma frequência de PWM acima de cerca de 100 a 200 Hz, para que o pisca não seja visível. Muitos microcontroladores geram PWM de alguns quilohertz, que é rápido o bastante. Não acione um LED com ciclos longos e lentos de liga e desliga, porque o pisca fica visível e pode cansar os olhos.

Reduzindo com resistor em vez disso

Um resistor variável ou potenciômetro em série pode reduzir o brilho de um LED, mas dissipa energia no resistor e muda a corrente de forma não linear. O PWM quase não desperdiça energia e oferece uma redução de brilho mais uniforme.

Tópico 7: Acionando LEDs a partir de um microcontrolador

Os pinos de um microcontrolador podem ligar e desligar um LED, mas um pino só fornece uma corrente pequena e pode queimar se for sobrecarregado. Consulte a folha de dados do chip para a corrente máxima por pino e para o total do chip.

Limite de corrente do pino

Muitos pinos de microcontroladores são projetados para cerca de 20 mA de fonte ou dreno, e o chip inteiro tem um limite total menor. Mantenha a corrente do LED bem abaixo do máximo do pino, e nunca ultrapasse a soma de todos os pinos ao mesmo tempo. Um transistor ou driver MOSFET é a escolha certa para qualquer coisa que precise de mais corrente.

Fonte e dreno

Um LED pode ser ligado do pino à alimentação (o pino drena corrente para o terra através do LED) ou da alimentação ao pino (o pino fornece corrente). A ligação mais comum é drenar a corrente pelo LED, porque o pino geralmente consegue drenar mais corrente do que fornecer, e o LED acende quando o pino está em nível baixo.

Resistor em série para o pino

Calcule o resistor a partir da tensão do pino. Com um pino de 3,3 V e um LED vermelho de 2 V a 10 mA, R = (3,3 − 2) ÷ 0,01 = 130 Ω, então 150 Ω é um valor padrão seguro. Confira a folha de dados para o nível de tensão dos pinos, porque algumas placas trabalham em 5 V e outras em 3,3 V.

Tópico 8: Usando LEDs em outros circuitos

LEDs são usados como indicadores, fontes de luz e parte de circuitos de sensor. Estes exemplos mostram usos comuns e como as mesmas regras se aplicam.

Indicador de energia

Um LED vermelho com resistor de 1 kΩ na linha de 5 V indica que a fonte está ligada. A corrente é (5 − 2) ÷ 1.000 = 3 mA, o suficiente para ver a luz e quase nada consumido da fonte.

Pisca com circuito RC

Um resistor de 100 kΩ e um capacitor de 10 µF em um circuito RC dão τ = 1 segundo, como nos artigos de resistores e capacitores. Um transistor simples ou um comparador usa a tensão de carga para ligar e desligar o LED, produzindo um pisca lento.

Detectando luz

Um LED pode funcionar como um sensor de luz fraco, porque um LED polarizado reversamente gera uma pequena corrente quando recebe luz. É uma demonstração simples, não um instrumento preciso, mas mostra que um componente emissor de luz também pode detectá-la.

Tópico 9: Erros comuns e segurança

A maioria das falhas de LED vem de resistores ausentes, polaridade invertida ou tensões de fonte não verificadas. Alguns hábitos evitam quase todas elas.

Sempre use um limitador de corrente

Alguns volts acima da tensão direta resultam em uma corrente muito alta. Um LED sem resistor em uma fonte de 5 V pode puxar muitas vezes a corrente nominal, esquentar demais e queimar em segundos. O resistor não é opcional.

Confira a polaridade antes de energizar

Ligue o anodo ao lado positivo e o catodo ao lado negativo. Um LED ao contrário normalmente não acende e raramente queima, mas tensões reversas repetidas podem danificá-lo. Verifique com o multímetro antes de energizar o circuito.

Proteja os olhos e cuidado com o calor

Não olhe diretamente para LEDs brilhantes ou de alta potência, e nunca olhe para um diodo laser, que é um dispositivo diferente. Monte LEDs de alta potência em dissipadores, e deixe a placa esfriar antes de tocar nos componentes.

Prática na protoboard

Monte pequenos circuitos, meça corrente e tensão, e compare os resultados com os seus cálculos. Use uma fonte de 5 V ou 9 V, alguns LEDs de cores diferentes, resistores de 150 Ω, 390 Ω e 1 kΩ, uma protoboard e um multímetro.

1. Use o teste de diodo nos LEDs vermelho, verde e azul, e anote a tensão direta de cada um.

2. Acenda o LED vermelho a partir de 5 V com 150 Ω e meça a corrente medindo a tensão no resistor. Compare com 20 mA.

3. Acenda o LED azul a partir de 9 V com um resistor de 390 Ω, e verifique a temperatura do resistor após dois minutos.

4. Ligue três LEDs vermelhos em série a partir de 12 V com um resistor de 300 Ω, e verifique se os três têm o mesmo brilho.

5. Ligue dois LEDs em paralelo com um único resistor, depois dê a cada um o seu próprio resistor, e compare o brilho dos dois casos.

Próximos passos

Depois dos LEDs, estude transistores, que controlam correntes maiores com um sinal pequeno e são a forma comum de acionar fitas de LED e iluminação de alta potência. Em seguida, veja drivers de corrente constante e PWM em programas de microcontroladores. Registre cada cálculo e confira a folha de dados de cada LED e de cada chip antes de energizar o circuito.

Resumo

Um LED é um diodo que emite luz quando a corrente flui no sentido direto. Sua cor define a tensão direta, e um LED deve sempre ter um limitador de corrente, normalmente um resistor em série calculado com R = (V_fonte − V_f) ÷ I_f. Vários LEDs exigem um arranjo cuidadoso, o PWM oferece redução de brilho suave, e os pinos do microcontrolador devem ficar abaixo dos seus limites de corrente. Verifique a polaridade e a folha de dados antes de energizar qualquer circuito.