Um LED é um diodo feito de um material semicondutor que gera fótons de luz quando a corrente flui através do material. Quanto mais corrente através do LED, mais luz ele emitirá, mais brilhante será. No entanto, há um limite superior que é a quantidade de corrente suficiente para danificar o LED.
Um LED oferece pouca resistência à corrente que flui através dele. A maior parte da pouca resistência que ele oferece vem da energia perdida pela luz emitida e a geração de fótons é tão eficiente que a resistência é bem insignificante. No entanto, à medida que a corrente aumenta, aumentando a quantidade de luz, o LED falha em algum momento porque a quantidade de corrente que passa pelo LED causa falhas materiais. Com quantidades suficientemente grandes de corrente, a vaporização catastrófica do material pode resultar em uma pequena explosão dentro do envelope externo do LED. Com os níveis mais baixos de corrente encontrados nos circuitos digitais de 3.3v ou 5v, o resultado mais provável é que o material semicondutor falha e para de conduzir e o LED não brilha mais.
Como a tensão do circuito afeta o consumo de corrente de um LED? Como um LED é um tipo de diodo, a equação de Shockley descreve a corrente que um diodo permite em vários níveis de tensão. A equação mostra que os resultados da função Shockley para uma determinada faixa de tensão seguem uma curva exponencial. Isso significa que pequenas alterações na tensão podem fazer grandes alterações na corrente. Portanto, o uso de um LED em um circuito simples cuja tensão é maior que a Tensão Direta do LED corre o risco de o LED consumir surpreendentemente mais corrente do que os níveis recomendados, resultando em falha do LED.
Consulte o tópico Wikipedia Wikipedia Circuit , bem como o tópico Wikipedia Equação de diodo Shockley .
Portanto, a idéia é projetar o circuito do LED para limitar a quantidade de corrente que flui através do LED. Queremos equilibrar com corrente suficiente para causar o nível de brilho desejado sem ter tanto que o material do LED falhe. O método mais comum de limitar a corrente é adicionar um resistor ao circuito.
Um LED deve ter uma folha de dados que descreva as características e tolerâncias elétricas do LED. Por exemplo, consulte esta folha de dados Modelo No .: YSL-R531R3D-D2 .
As primeiras características em que estamos interessados são (1) qual é a corrente máxima que o LED pode suportar antes que a falha do material seja possível, resultando em falha do LED e (2) qual é a faixa de corrente recomendada. Essas e outras classificações máximas para um LED vermelho padrão típico (LEDs diferentes terão valores diferentes) estão em uma tabela, conforme duplicado abaixo.
Na tabela da folha de dados para este LED vermelho padrão, vemos que a corrente máxima é 20mA, com a faixa recomendada de 16mA a 18mA. Essa faixa recomendada é a corrente para o LED ficar mais brilhante sem arriscar a falha do material. Também vemos que a dissipação de energia nominal é de 105mW. Queremos garantir que, em nosso projeto de circuitos de LED, permaneçamos dentro desses limites recomendados.
Olhando na tabela a seguir, encontramos um valor de Voltagem direta para o LED de 2,2v. O valor de tensão direta é a queda de tensão quando a corrente flui através do LED na direção direta, do ânodo para o cátodo. Consulte O que é tensão "direta" e "reversa" ao trabalhar com diodos? .
Se usarmos esse LED em um circuito com 2,2v e uma corrente de 20mA, o LED dissipará 44mW, o que está dentro da nossa zona de segurança de dissipação de energia. Se a corrente mudar de 20mA para 100mA, a dissipação será 5 vezes maior ou 220mW, o que está bem acima da dissipação de potência nominal de 105mW para o LED, para que possamos esperar que o LED falhe. Consulte O que acontece com o meu LED quando eu forneço muita corrente? .
Para reduzir a corrente através do LED para os níveis recomendados, introduziremos um resistor no circuito. Qual valor do resistor devemos usar?
Calculamos um valor de resistor usando a Lei de Ohms V = I x R
,. No entanto, faremos uma transformação algébrica porque queremos resolver a resistência em vez de a tensão, portanto, usamos a fórmula R = V / I
.
O valor de I, corrente em amperes, é bastante óbvio, basta usar o mínimo recomendado de 16mA ou 0,016A na folha de dados do LED na fórmula transformada. Mas que valor devemos usar para volts, V?
Precisamos usar a queda de tensão do resistor, que é a contribuição que o resistor faz para a queda de tensão total de todo o circuito. Portanto, precisaremos subtrair a contribuição da queda de tensão do LED da tensão total do circuito para determinar a contribuição de queda de tensão necessária do resistor. A queda de tensão de um LED é o valor da tensão direta, a queda de tensão na direção direta do ânodo para o cátodo, na tabela acima.
Para um projeto padrão do Raspberry Pi usando o trilho de 3,3v como fonte de energia, o cálculo seria (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)
Então, por que um valor de resistor como 200 ohms é comumente usado quando os cálculos indicam 69 ohms?
A resposta fácil é que um resistor de 200 ohm é um resistor comum incluído em muitos kits de experimentos. Queremos usar um resistor comum se a luz emitida pelo LED não diminuir visivelmente.
Então, se mudarmos de um resistor de 69 ohm para um resistor de 200 ohm, qual é a mudança na corrente? Novamente, usamos a lei de Ohm desta vez para resolver a corrente no circuito I = V / R
ou , 3.3v / 200 ohms = .0165A
quando olhamos para a folha de dados de LED, vemos que esse valor está na faixa recomendada de 16 mA a 18 mA, para que o LED fique suficientemente brilhante.