terça-feira, 19 de maio de 2015

Driver para LED de potência

Eu amo LEDs. Acho que nenhum outro componente me fascina mais que os LEDs.
Mas eu só havia mexido com os comuns, pois na minha cidade eu nunca encontrava outras opções. Porém, um dia, enquanto eu comprava outros componentes, ví um homem ao lado comprando um LED de 1W. Era o que eu queria! Voltei lá outra hora e pedi um branco. Chegando em casa fui ver como ligar ele, e aqui começa o foco desta postagem.

Tensão constante vs. Corrente constante


Assim como os diodos LASER, os LEDs de alta potência possuem uma resistência interna baixa (um de 1W tem cerca de 10 ohms). Se ligados em uma bateria, eles drenarão quanta corrente eles puderem, e isso certamente levará eles à queima. Assim como nos outros LEDs, podemos colocar um resistor em série e ligá-los à uma fonte de tensão constante. Circuito mais simplista e barato, porém ineficiente. Duas coisas: se falamos de LEDs, temos que falar em eficiência. Usar um LED em um circuito que desperdice muita energia chega a ser absurdo. Um resistor sem dúvida não é a saída mais eficiente. Outra coisa é que se a tensão variar, pela lei de ohm a corrente também irá (uma vez que a resistência é fixa). Se ela variar pra menos, teremos apenas uma redução do brilho, mas se variar para mais, além de mais brilho teremos mais calor e consequentemente menor vida útil. Então a melhor saída é fazer como fizemos a alguns posts atrás com os LASERs: usar corrente constante. Não importa a tensão que você irá por no circuito, o LED sempre receberá a corrente necessária. O resto será dissipado em um transístor/MOSFET, o que é muito melhor, afinal é mais fácil por um dissipador em um deles do que conseguir um enorme resistor.

O circuito 


O circuito mais simples que achei e que mais me agradou foi a fonte de corrente constante. O circuito com minhas modificações é esse:

1R + 1R = 2R, não? 
Como eu disse, o circuito é simples. 
Começando pela alimentação, ela pode ir da tensão do LED + 1,5V pra assegurar um correto acionamento dos transístores até a tensão máxima do MOSFET. Mas aqui entra um ponto: ele estará trabalhando na região linear de funcionamento dele, então estará dissipando bastante energia, logo, quanto menor a tensão, menos calor produzido. 
Qualquer MOSFET tipo N servirá aqui, mas quanto menor o RdsOn dele, melhor, pois interferirá menos nos cálculos e produzirá menos calor. Escolhi o IRF3205 por ser barato, aguentar uma corrente de até 110A e pelo baixo RdsOn dele. 
R1 apenas limita a tensão em Q2, que funciona como um referencial de tensão, onde usamos a queda de tensão na junção (apróx. 0,7V) para calcular a corrente e mantê-la constante.
JP1 serve como um header para ligar um controle, onde quando EN estiver em nível alto, acenderá o LED.
Por fim, R2 e R3 são os responsáveis por ajustar a corrente no LED. Os motivos de eu usar dois de 1R ao invés de um de 2R são dois: reduzir a dissipação de calor e aproveitar mais os resistores, uma vez que aqui eles são vendidos apenas em dezenas.

Agora vem a parte matemática da coisa.
Um LED de 1W aceita em média um corrente de 320mA. Usarei esta corrente para os cálculos, mas  o circuito atende tranquilamente LEDs de outras potências. (considere Ra como R1+R2).
Considerando o BC547 que tem uma tensão de queda (Vce) de 0,7V (olhe no datasheet se for usar outro como o BC337).

iLED = (Vce) / (Ra+RdsOn)

iLED: corrente no LED;
Vce: tensão de queda na junção do transístor;
Ra: resistência do resistor de ajuste;
RdsOn: resistência interna do MOSFET quando ligado.

É isso. Achavam que fosse pior, não? Mas não acabou. Precisamos dimensionar a potência do resistor de ajuste. Para isso, usaremos a lei de ohm:

P = iLED² . Ra para o resistor e;
P = (Vcc - VLED)² . i para o MOSFET.

Alimento os meus dois circuitos com 5V e para ambos achei conveniente por dissipador nos MOSFETs, pois eles aqueceram. Em um circuito usei o IRF3205 e no outro o IRF640N. 

Essa foi a placa que usei. Dimensões em mm.

E segue as fotos dos meus dois circuitos montados. Perceba que em um deles dispensei o header de controle JP1.

Circuito usando o IRF640N

Circuito mais completo, com o IRF3205 e instalado em uma caixa.

LED azul, sem a lente.

Os dois funcionando.


Como vocês observaram, comprei o LED em sí, sem a placa "estrela" como você acha no ML. Achei melhor assim pois além de reduzir uma interface térmica sairia bem mais barato (não pagaria frete).
Se optar por fazer assim, sem usar a MCPCB, certifique-se de ter um bom dissipador (um dissipador de uns 4cm x 4cm com boas aletas) e uma boa pasta térmica. Passe uma camada bem fina no LED (parte chamada de slug, parte metálica circular na parte inferior do LED que é por onde o calor será emitido), posicione ele no centro do dissipador e cole-o firmemente. Pode ser que você precise levantar os terminais para que eles não toquem no dissipador. Recomendo usar tubos termo retráteis nos terminais para finalizar a soldagem. 

Pela internet existem vários outros circuitos, que usam diodo zener, divisor de tensão entre outros. Optei por esse por ter uma tensão de referência pequena, o que possibilita os resistores de ajuste de dissiparem menos potência. Veja que se você usasse o LM317, a tensão de referência é de 1,25V, o que exigiria um resistor de 3,9R, que dissiparia mais potência fora o desperdício do próprio LM317.

4 comentários:

  1. Muito legal eu ja segui voce entoa agora me siga esse é meu blog arturloucoporeletronica.blogspot.com.br

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  3. Preciso de um pequeno driver que caiba dentro de uma lâmpada tuboled que receba 24v e entregue os 12v que ela demanda. Isso para poder instalar Lâmpadas em um caminhão. Você faz esse projeto?

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    1. Creio que isto lhe sirva bem: http://www.filipeflop.com/pd-42b9cb-conversor-de-tensao-lm2576hv-dc-dc-step-down.html?ct=93344&p=1&s=1

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