Como Fazer uma Luminária de Parede com 48 LEDs de Alto Brilho

Os LEDs abriram inúmeras possibilidades para quem gosta de montar os próprios projetos de eletrônica. Além de indicadores e efeitos luminosos, eles podem ser utilizados para construir sistemas de iluminação bastante interessantes.

Neste projeto, a proposta foi fazer uma luminária de parede — ou plafon — utilizando 48 LEDs de alto brilho.

É uma montagem relativamente simples, mas que permite explorar conceitos importantes: ligação de LEDs, corrente, tensão direta, resistores, fonte de alimentação e distribuição da luz.

Por que utilizar vários LEDs?

Um único LED de alto brilho produz um ponto de luz bastante concentrado. Quando distribuímos vários LEDs sobre uma superfície, conseguimos aumentar a quantidade total de luz e espalhá-la por uma área maior.

Com 48 LEDs, podemos criar uma matriz semelhante a:

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Além da parte eletrônica, a própria disposição física dos LEDs influencia bastante o resultado.

Quanto melhor distribuídos estiverem, mais uniforme tende a ser a iluminação.

LED não deve ser tratado simplesmente como uma lâmpada

Um LED é um diodo emissor de luz e possui uma relação entre tensão e corrente bastante diferente de uma lâmpada incandescente.

Depois que atingimos sua região de condução, uma pequena alteração na tensão pode provocar uma variação significativa da corrente. Por isso, LEDs discretos normalmente precisam de algum método de limitação de corrente.

O resistor é a solução mais simples em pequenos projetos.

Temos:$$R=\frac{V_{fonte}-V_F}{I}$$

onde:

• $V_{fonte}$ é a tensão da alimentação;
• $V_F$ é a tensão direta do LED;
• $I$ é a corrente desejada.

Se houver vários LEDs em série, devemos considerar a soma das tensões diretas:$$R=\frac{V_{fonte}-\sum V_F}{I}$$

Qual é a tensão de um LED branco de alto brilho?

Não devemos adotar um valor universal.

A tensão direta $V_F$ depende do LED, da corrente e também da temperatura. Um LED branco moderno, por exemplo, pode apresentar uma tensão direta próxima de 3 V em determinada condição de operação, mas o valor correto deve ser obtido no datasheet do componente utilizado.

Por isso, não é tecnicamente correto pensar:

“Todo LED branco funciona com exatamente 3 V.”

É melhor pensar:

“Este LED apresenta determinada tensão direta quando percorrido por determinada corrente.”

Essa diferença é importante quando começamos a colocar muitos LEDs em uma luminária.

LEDs em série ou em paralelo?

Com 48 LEDs temos várias possibilidades de ligação.

Em série:

+V ── R ──>|──>|──>|──>|── 0V
           LED LED LED LED

A mesma corrente percorre todos os LEDs, enquanto suas tensões diretas se somam.

Em paralelo:

        ┌── R ──>|──┐
        ├── R ──>|──┤
+V ─────┼── R ──>|──┼──── 0V
        └── R ──>|──┘

A tensão necessária é menor, mas a corrente total aumenta.

Existe ainda uma terceira possibilidade, muito utilizada: combinar série e paralelo.

Cuidado ao simplesmente colocar muitos LEDs em paralelo

Aqui existe um detalhe importante.

Mesmo LEDs aparentemente iguais apresentam pequenas diferenças na tensão direta.

Se vários LEDs forem colocados diretamente em paralelo utilizando apenas um único elemento limitador de corrente, eles podem não dividir a corrente igualmente. Um deles pode conduzir mais corrente do que os outros. Fabricantes recomendam, em aplicações desse tipo, limitar a corrente adequadamente em cada ramo.

Por isso, para uma matriz com muitos LEDs, uma solução interessante é criar vários grupos em série, cada grupo com sua própria limitação de corrente.

Por exemplo:

             ┌─ R ─ LED ─ LED ─ LED ─┐
             ├─ R ─ LED ─ LED ─ LED ─┤
FONTE DC ────┼─ R ─ LED ─ LED ─ LED ─┼── 0V
             ├─ R ─ LED ─ LED ─ LED ─┤
             └──────── ... ───────────┘

A quantidade exata de LEDs em cada ramo depende da tensão da fonte e das características dos LEDs utilizados.

Como calcular o resistor?

Imagine apenas como exemplo uma fonte de 12 V e três LEDs cuja tensão direta medida/especificada seja aproximadamente 3 V na corrente escolhida.

A queda nos LEDs seria:$$3 + 3 + 3 = 9V$$

Restariam:$$12-9=3V$$

Se quiséssemos 20 mA:$$R=\frac{3}{0,02}=150\Omega$$

Portanto, nesse exemplo teórico:

12 V
 │
150 Ω
 │
LED
 │
LED
 │
LED
 │
0 V

Mas atenção: 150 Ω não é automaticamente o resistor correto para a luminária do vídeo.

O cálculo precisa considerar a fonte e os LEDs realmente utilizados.

E a potência do resistor?

Não basta calcular a resistência.

Também precisamos verificar quanto o resistor dissipará:$$P=I^2R$$

No exemplo anterior:$$P=(0,02)^2 \times 150$$$$P=0,06W$$

Um resistor comercial com potência nominal adequadamente superior a esse valor teria margem térmica.

Esse cálculo se torna ainda mais importante quando trabalhamos com correntes maiores.

48 LEDs também significam corrente total maior

Suponha, novamente apenas como exercício, que os 48 LEDs fossem organizados em 16 ramos de três LEDs, cada ramo consumindo 20 mA.

Teríamos:$$16 \times 20mA = 320mA$$

Portanto, a fonte precisaria fornecer pelo menos essa corrente, além de uma margem adequada.

Isso demonstra por que precisamos analisar o circuito completo.

Não basta saber:

“Minha fonte tem 12 V.”

Também precisamos saber:

“Quanta corrente a luminária exige?”

Corrente da fonte não é corrente imposta ao circuito

Essa é uma dúvida bastante comum.

Se o circuito consumir 320 mA, utilizar uma fonte de 12 V capaz de fornecer 1 A não significa que ela obrigará os LEDs a receber 1 A.

O valor de corrente indicado na fonte representa sua capacidade de fornecimento, dentro das condições especificadas.

Quem determina a corrente efetivamente consumida é a carga, desde que o circuito tenha sido corretamente projetado.

O problema seria o contrário: utilizar uma fonte incapaz de fornecer a corrente necessária.

E um driver de corrente constante?

Para LEDs de maior potência e sistemas de iluminação mais sofisticados, é muito comum utilizar drivers de corrente constante.

Isso ocorre porque controlar diretamente a corrente é uma maneira mais adequada de controlar o funcionamento dos LEDs.

No caso de LEDs discretos de baixa potência, resistores podem fornecer uma solução bastante simples e didática.

São abordagens diferentes para diferentes aplicações.

A distribuição dos 48 LEDs também importa

Uma luminária não é apenas um circuito elétrico.

A posição dos LEDs determina como a luz será distribuída.

Se concentrarmos todos no centro:

        ●●●●
       ●●●●●●
       ●●●●●●
        ●●●●

podemos criar uma região central muito intensa.

Distribuindo-os por uma área maior:

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  ●   ●   ●
●   ●   ●   ●
  ●   ●   ●

podemos obter uma iluminação mais uniforme.

A distância entre a luminária e a superfície iluminada também interfere no resultado.

Uma superfície refletora pode ajudar

Outra possibilidade é aproveitar o próprio corpo da luminária para refletir parte da luz.

Uma superfície interna clara ou refletora pode redirecionar luz que seria perdida.

Também podemos utilizar um difusor diante dos LEDs.

O difusor reduz a percepção dos vários pontos individuais e ajuda a criar a aparência de uma fonte luminosa maior:

LEDs individuais
● ● ● ● ● ●
      ↓
   DIFUSOR
      ↓
████████████
luz visualmente
mais uniforme

Existe, naturalmente, uma perda de intensidade no material, então precisamos encontrar um equilíbrio entre difusão e aproveitamento da luz.

Veja a construção da luminária com 48 LEDs

No vídeo mostro a montagem desta luminária de parede utilizando 48 LEDs de alto brilho, desde a disposição dos componentes até o resultado da iluminação.

É um projeto interessante justamente porque transforma componentes muito comuns da bancada em algo que pode ter uma aplicação prática.

Atenção ao aquecimento

Mesmo LEDs eficientes produzem calor.

Em LEDs discretos operando com pequenas potências isso pode parecer pouco, mas quando colocamos dezenas deles juntos, devemos observar a temperatura do conjunto.

A temperatura de junção afeta tanto as características elétricas quanto a vida útil do LED; temperaturas maiores tendem a reduzir sua confiabilidade.

Portanto, uma luminária fechada precisa permitir que o calor gerado seja dissipado adequadamente.

Isso é especialmente importante se o projeto for modificado posteriormente para utilizar LEDs de potência.

E se um LED queimar?

A resposta depende da maneira como fizemos as ligações.

Em uma sequência totalmente em série, se um LED falhar em circuito aberto, toda aquela sequência deixa de conduzir.

Em uma configuração série-paralelo, normalmente apenas o ramo afetado deixa de acender, enquanto os demais podem continuar funcionando.

Essa é outra vantagem de dividir uma luminária grande em grupos.

Além de facilitar o dimensionamento, facilita o diagnóstico.

Como descobrir qual ramo está com problema?

Se uma parte da luminária deixar de funcionar, podemos utilizar o multímetro.

Com a alimentação desligada, começamos verificando continuidade das conexões e soldas. O teste de continuidade é especialmente útil para descobrir trilhas, fios ou junções interrompidas.

Depois podemos analisar cada ramo individualmente.

Mais uma vez, trabalhar com grupos organizados facilita muito a manutenção.

Segurança com a alimentação

Aqui existe uma distinção importante.

O circuito dos LEDs pode operar em baixa tensão, mas a fonte que alimenta a luminária pode estar conectada à rede elétrica.

Se utilizarmos uma fonte comercial isolada e adequada, mantemos a parte experimental dos LEDs em baixa tensão.

Se o projeto envolver diretamente 127 ou 220 V, a situação muda completamente e entram requisitos de isolamento, proteção contra contato, dimensionamento e segurança elétrica.

Para uma montagem experimental, é muito mais prudente manter a matriz de LEDs em baixa tensão DC utilizando uma fonte apropriada e isolada da rede.

Um projeto simples que ensina bastante eletrônica

À primeira vista, estamos apenas colocando 48 LEDs em uma luminária.

Mas o projeto permite estudar:

tensão direta → corrente → Lei de Ohm → potência → série → paralelo → fonte → distribuição luminosa → dissipação térmica.

É exatamente esse tipo de montagem que mostra como conceitos básicos de eletrônica aparecem em objetos que utilizamos no dia a dia.

E, no final, além do aprendizado, temos uma luminária construída por nós mesmos.