LED Pisca em Série: Como Funciona o Pisca-Pisca de uma Árvore de Natal

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
  │
  └── RETORNO

Isso 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 RECOMEÇA

É 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 apagadas

Documentação 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
  │
  ↓
RETORNO

Enquanto 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 ── 0V

Seu valor pode ser estimado por:$$R=\frac{V_{fonte}-V_f}{I}$$

onde $V_f$ é a queda de tensão direta do LED e $I$ é a corrente desejada.

Por exemplo, suponha:

• fonte = 6 V;
• LED com $V_f$ ≈ 2 V;
• corrente desejada = 10 mA.

Teríamos:$$R=\frac{6-2}{0,010}=400\ \Omega$$

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
   ↓
NEGATIVO

Invertido, 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:$$V_{fonte}=V_1+V_2+V_3+\dots$$

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 aberto

o 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 rápidas

Portanto, 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.