Conversores eletrônicos para alimentação de Leds

Edição 63 – Abril 2011
Por Walter Kaiser*

O Led ou “Light Emitting Diode” é um diodo semicondutor que, quando eletricamente polarizado na forma direta, conduz corrente e emite luz de forma eficiente.

O efeito físico foi descoberto em 1907, porém somente em 1962 os primeiros Leds vermelhos de baixa potência foram produzidos pela General Electric. Dez anos depois surgiram no mercado os primeiros Leds nas cores verde, amarelo e laranja. A partir daí levaram-se mais vinte anos até a fabricação do primeiro Led azul. Somente na década de 2000 foram produzidos Leds brancos com potência suficiente para utilização como fonte para iluminação de ambientes.

O Led sozinho não consegue emitir luz branca. É necessário que a superfície do Led seja revestida com um composto a base de fósforo, similar ao utilizado em lâmpadas fluorescentes, para que a luz azul seja convertida em branca, como mostra a Figura 1.

Os principais atrativos do Led são a sua elevada eficiência, a saturação de cores, o tempo de vida longo, a robustez mecânica, as baixas exigências de manutenção e a não utilização de metais pesados e agressivos ao meio ambiente.

O princípio físico de produção de luz no Led não gera calor e se diferencia das lâmpadas incandescentes e fluorescentes. Porém, como em todo semicondutor, o calor gerado pelas perdas no dispositivo precisa ser dissipado para evitar a degradação de sua emissão ótica.

Por ser um diodo, o Led conduz corrente apenas em um sentido, sendo alimentado com corrente contínua. Para Leds de potência é necessário aplicar uma tensão superior a U (veja Figura 2), que é da ordem de 3 V, para que se inicie a condução de corrente.

Esta corrente cresce exponencialmente com a tensão, ou seja, a corrente e a luminosidade dependem da tensão de fonte aplicada. Para garantir o ponto de operação nominal é necessário fixar esta corrente. Para Leds de sinal, concebidos como dispositivos de pequena potência, basta ligar um resistor em série, cuja resistência irá impor o valor da corrente. Reduzindo a resistência, a corrente sobe e vice-versa, lembrando que o aumento da temperatura do Led é provocado pelo aumento das perdas de condução no dispositivo.

Para aplicações em iluminação, vários Leds de potência são associados em série para garantir a mesma corrente em todos os componentes. Nesse caso, a dissipação de potência em um resistor passa a ser inadmissível e circuitos eletrônicos mais complexos tornam-se necessários. Os Leds de potência são alimentados por conversores eletrônicos chaveados, nos quais os transistores atuam como chaves do tipo liga-desliga.

Existem diversas topologias de circuito que podem fornecer ao Led: a corrente constante com uma componente alternada superposta com frequência e amplitude específicas ou a corrente pulsada obtida de um circuito chaveado modulador de largura de pulso do tipo PWM (Pulse Width Modulation) com controle da razão cíclica e malha de controle por corrente. A razão cíclica é um termo utilizado em eletrônica de potência, sendo definido pelo produto entre o tempo que o dispositivo de chaveamento do conversor se encontra em condução pela sua frequência de chaveamento.

Os conversores eletrônicos podem ser classificados em conversores isolados e não isolados. No conversor isolado, a fonte de alimentação é uma bateria, que não possui isolação galvânica com o Led, como no caso de sistemas de iluminação de emergência.

Quando o conversor é alimentado pela rede CA de 60 Hz, geralmente se opta por isolamento galvânico entre o Led e a rede, o qual é obtido por meio de um transformador no interior do conversor. Os conversores isolados operam em geral em altas frequências para minimizar o tamanho do transformador de isolação. Os conversores isolados, quando conectados à rede de corrente alternada, necessitam de circuitos corretores de fator de potência para filtrar componentes harmônicos da corrente gerados pelo processo de chaveamento em alta frequência. Essa filtragem deve atender às exigências de fator de potência e distorção harmônica impostas pelas normas em vigor.

Existem diversas opções de circuitos a serem utilizadas em conversores para Leds e a escolha adequada depende do casamento dos requisitos da fonte de alimentação com os do Led operando como carga.

O conversor Flyback apresentado na Figura 3 é a configuração mais utilizada em conversores isolados. A corrente no Led é pulsada, sendo obtida com o conversor flyback sem o capacitor de filtro na saída.

O Led branco como fonte para iluminação deverá em pouco tempo ser um forte concorrente para as lâmpadas fluorescentes compactas. Com o aumento da produção, os preços desses componentes se tornarão mais acessíveis e deverão dominar o mercado da iluminação doravante.

*Walter Kaiser é engenheiro eletricista, físico, mestre e doutor em engenharia elétrica. Atualmente, é professor associado do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli/USP).