Um pisca-pisca de árvore de Natal pode parecer um circuito extremamente simples, mas ele permite observar vários conceitos interessantes de eletricidade e eletrônica.
Neste projeto faço uma experiência particularmente curiosa: utilizar uma lâmpada pisca de um antigo conjunto de luzes de Natal em série com um LED.
O resultado é um LED que passa a piscar sem precisar de Arduino, circuito integrado, transistor ou oscilador eletrônico.
Mas como uma simples lâmpada consegue fazer isso?
A resposta está dentro dela.
Como funciona um pisca-pisca tradicional de Natal?
Nos conjuntos mais antigos com pequenas lâmpadas incandescentes, era comum encontrar várias lâmpadas conectadas em série.
Em uma ligação em série existe apenas um caminho para a corrente:
FONTE
│
├── LÂMPADA 1
│
├── LÂMPADA 2
│
├── LÂMPADA 3
│
├── LÂMPADA 4
│
└── RETORNOIsso significa que a corrente que passa por uma lâmpada também passa pelas demais. Em um circuito série simples, se esse caminho for interrompido, a corrente deixa de circular pelo conjunto.
Essa característica é justamente o segredo do antigo sistema de pisca-pisca.
Existe uma lâmpada diferente no conjunto
Em determinados pisca-piscas tradicionais, uma das lâmpadas não é exatamente igual às outras.
Ela é uma lâmpada piscante.
Dentro dela existe um pequeno mecanismo térmico, tradicionalmente baseado em um elemento bimetálico.
Quando a corrente começa a circular, a lâmpada acende e o conjunto aquece.
Depois de algum tempo, o elemento bimetálico se deforma devido ao aquecimento e abre o contato elétrico.
Como a lâmpada está em série com as demais:
o contato abre → a corrente é interrompida → as lâmpadas apagam.
Quando o elemento esfria, ele retorna à posição original e fecha novamente o contato:
o contato fecha → a corrente volta → as lâmpadas acendem.
O processo se repete continuamente. Esse princípio de uma lâmpada piscante bimetálica interrompendo uma cadeia em série é documentado há décadas em sistemas de iluminação natalina.
É praticamente um oscilador eletromecânico
Podemos representar o ciclo assim:
CONTATO FECHADO
↓
CORRENTE CIRCULA
↓
LÂMPADA AQUECE
↓
BIMETAL SE DEFORMA
↓
CONTATO ABRE
↓
CORRENTE PARA
↓
BIMETAL ESFRIA
↓
CONTATO FECHA
↓
CICLO RECOMEÇAÉ interessante porque conseguimos produzir um comportamento periódico sem utilizar nenhum circuito eletrônico de temporização.
O próprio aquecimento e resfriamento do componente determinam o ciclo.
Por que todas as lâmpadas piscam juntas?
Agora fica fácil compreender.
Se a lâmpada piscante estiver em série com todo o conjunto, quando seu contato abrir ela não desliga somente a si própria.
Ela interrompe o único caminho da corrente.
Portanto:
PISCA FECHADO
↓
● ● ● ● ● ● ●
todas acesas
PISCA ABERTO
↓
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
todas apagadasDocumentação histórica de circuitos desse tipo descreve exatamente esse funcionamento: uma lâmpada com elemento bimetálico inserida na cadeia série faz todo o conjunto ligar e desligar.
É uma aplicação prática muito interessante do comportamento de um circuito em série.
E onde entra o LED?
Aqui está a experiência que mostro no vídeo.
Se colocarmos um LED em série com uma pequena lâmpada piscante compatível e utilizarmos uma alimentação adequada, o LED passa a depender do mesmo caminho de corrente.
De maneira simplificada:
FONTE
│
↓
LÂMPADA PISCA
│
↓
LED
│
↓
RETORNOEnquanto o contato interno da lâmpada estiver fechado, existe corrente no circuito e o LED acende.
Quando a lâmpada aquece e abre o contato, a corrente é interrompida e o LED apaga.
Depois:
esfria → fecha → LED acende → aquece → abre → LED apaga.
E o processo continua.
Esse princípio já foi inclusive utilizado em experiências de eletrônica nas quais uma pequena lâmpada piscante de Natal é colocada em série com um LED para produzir o efeito intermitente.
Então a lâmpada funciona como uma chave automática
Exatamente.
Para compreender o experimento, podemos esquecer por um momento que ela também produz luz.
Eletricamente, o que mais nos interessa é isto:
┌──── CHAVE TÉRMICA ────┐
│ │
──────┤ LÂMPADA PISCA ├──────
│ │
└───────────────────────┘Essa “chave” abre e fecha automaticamente em função da temperatura.
É isso que faz o LED piscar.
Não é o LED que está piscando sozinho
Essa distinção é importante.
Existem LEDs piscantes que possuem um pequeno circuito eletrônico incorporado ao próprio encapsulamento.
Eles podem piscar quando simplesmente alimentados corretamente.
Não é esse o princípio desta experiência.
Aqui quem determina a interrupção periódica da corrente é a lâmpada piscante colocada em série.
Se substituirmos o LED comum por outro componente compatível, esse componente também poderá sofrer a interrupção periódica da corrente.
O LED precisa de limitação de corrente
Um LED não deve ser conectado indiscriminadamente a uma fonte de tensão.
Precisamos limitar sua corrente.
Em um circuito convencional fazemos isso frequentemente utilizando um resistor:
+V ── RESISTOR ── LED ── 0VSeu valor pode ser estimado por:
onde é a queda de tensão direta do LED e é a corrente desejada.
Por exemplo, suponha:
- fonte = 6 V;
- LED com ≈ 2 V;
- corrente desejada = 10 mA.
Teríamos:
Poderíamos então selecionar um valor comercial próximo, considerando as condições reais do circuito.
No experimento com uma lâmpada em série, a própria lâmpada também influencia fortemente a corrente. Por isso o comportamento precisa ser analisado como um circuito completo, e não como se o LED estivesse sozinho na fonte.
LED tem polaridade
Aqui aparece outra diferença importante entre uma pequena lâmpada incandescente e um LED.
Uma lâmpada incandescente comum não possui a mesma exigência de polaridade de um LED.
O LED é um diodo emissor de luz.
Na utilização em corrente contínua precisamos observar:
POSITIVO
↓
ÂNODO
│
LED
│
CÁTODO
↓
NEGATIVOInvertido, um LED comum não funcionará normalmente como quando polarizado diretamente e ainda precisamos respeitar sua tensão reversa máxima.
A tensão se distribui pelos componentes em série
Em uma associação em série, a tensão total corresponde à soma das quedas de tensão nos elementos:
Assim, se colocamos lâmpada, LED e eventualmente resistor em série, cada componente apresenta uma determinada queda de tensão durante o funcionamento.
Isso explica também o funcionamento dos antigos cordões de lâmpadas de Natal.
Em vez de aplicar toda a tensão da alimentação individualmente a cada pequena lâmpada, a tensão podia ser distribuída entre diversas lâmpadas ligadas em série.
Por que uma lâmpada queimada podia apagar o conjunto inteiro?
Pelo mesmo motivo.
Em uma cadeia série simples:
●──●──●──●──●se o filamento de uma lâmpada se rompe:
●──●──X ●──●
↑
circuito abertoo caminho da corrente é interrompido.
Era o clássico problema de alguns pisca-piscas antigos: uma única lâmpada defeituosa podia apagar toda a série.
Posteriormente surgiram sistemas utilizando shunts para manter o caminho da corrente mesmo quando determinado filamento falha. Existem diferentes soluções desse tipo, portanto não devemos assumir que todo pisca-pisca moderno se comporta como uma cadeia série simples.
E os pisca-piscas modernos de LED?
Aqui é importante não generalizar o funcionamento mostrado neste projeto.
Hoje encontramos conjuntos com:
LEDs, retificação, controladores eletrônicos, diferentes canais e diversos padrões de iluminação.
Nesses casos, o efeito pode ser produzido eletronicamente, permitindo sequências como:
aceso
↓
apagado
↓
alternado
↓
sequencial
↓
fade
↓
piscadas rápidasPortanto, a explicação da lâmpada bimetálica é especialmente interessante para compreender pisca-piscas tradicionais e o experimento apresentado neste projeto, e não como explicação universal para qualquer conjunto de luzes natalinas atual.
Uma experiência simples que ensina vários conceitos
O interessante deste pequeno circuito é a quantidade de assuntos que conseguimos observar ao mesmo tempo.
Temos:
circuito em série, corrente, queda de tensão, LED, polaridade, aquecimento, elemento bimetálico e chaveamento.
Tudo isso a partir de uma pequena lâmpada retirada de um pisca-pisca.
É exatamente o tipo de experiência que mostra como objetos aparentemente simples podem esconder princípios interessantes de eletricidade.
Veja o LED piscando em série com a lâmpada
No vídeo abaixo mostro a experiência utilizando o LED em série com a lâmpada piscante e explico como esse princípio aparece no pisca-pisca de uma árvore de Natal.