terça-feira, 23 de novembro de 2010

Luminárias com Diodos Emissores de Luz

Este projeto é publicado para que possa ser utilizado por quem quer empregar a idéia para iluminar seus caminhos ou de outrem. Se o fizer, assume o compromisso de divulgar a idéia, e jamais impedir que outros se beneficiem dela, por meio de um registro de patente. Este projeto abrange uma ampla gama de artefatos para iluminação construidos e a construir. Artefatos desta espécie têm sido construidos por mim desde setembro de 2007.

Os diodos emissores de luz (DELs) produzem luz pela recombinação de eletrons e buracos através de uma junção de diodo semicondutor com determinadas impurezas, sob um campo elétrico criado por uma pilha, bateria, ou fonte retificada da rede elétrica. Um DEL requer uma tensão de 1,5 a 3,8 volts, dependendo da cor, para conduzir correntes variando de 1 a 1000 miliamperes, e produzir um feixe luminoso de 1 a centenas de lumens. As lanternas aqui descritas são artefatos com corpo de bambu, que posicionam DELs e os submetem a uma determinada tensão elétrica coerente com suas especificações de potência.

Uma lanterna a DEL de baixa potência é um artefato que abriga os DELs, um par de pilhas comuns, e uma chave.
Para uma residência ou escritório, utiliza-se uma fonte de alimentação alimentada pela rede elétrica. Os DELs podem ser numerosos de baixa potência ou alguns de alta potência.

Lanterna
Construir uma caixa de 90 x 35 x 25 mm de bambu. Uma das faces mais largas deve ter a chave embutida perto dos DELs. Furar uma face menor (35 x 25 nn) e inserir os DELs desejados (digamos, dois). Se houver mais de um, interligá-los em paralelo. Soldar os terminais do porta-pilhas duplo, sendo o polo negativo no catodo e o positivo (fio vermelho) no anodo. Um dos polos deve ter a chave soldada em série. Ver os diagramas da figura abaixo.Na figura existem dois tipos de lanterna.
A de cima é o esquema elétrico de um farolete a pilhas primárias ( comuns ou alcalinas ). São necessárias apenas duas, porque estas pilhas têm uma tensão nominal de 1,5 volt, 1,6 quando novas. Duas delas em série oferecem 3 a 3,2 volts, o que é suficiente para acender os DELs um pouco abaixo de sua luminosidade nominal, a qual se obtém com 3,5 volts.
O esquema de baixo é de uma lanterna com pilhas recarregáveis. Como estas têm uma tensão nominal de 1,2 volt (1,4 volt quando plenamente carregada), são necessárias três delas em série. Para evitar sobrecarga quando plenamente carregadas (tensão de 4,2 volts), coloca-se um resistor de 3,9 ohms para produzir uma queda para não sobrecarregar os DELs. A caixa de bambu deve ser maior, para abrigar um porta-pilhas de quatro, com a posição da quarta pilha em curto, pois não há porta-pilhas para três. O brilho desta lanterna é um pouco acima do nominal, muito melhor que a de pilhas comuns, porque funciona a 3,4 volts aproximadamente.
Nestes dois tipos de lanterna, quando colocamos mais de um DEL, estes devem ser ligados em paralelo. A perna mais curta do DEL é o catodo, onde se liga o terminal negativo da pilha. A perna longa é o anodo, onde se liga o terminal positivo da pilha.

Luminária fixa para edificações
Com múltiplos DELs de baixa potência
Esta variedade faz uso de DELs de 20 mA e 5 mm de diâmetro. Fura-se uma talisca de bambu com a broca de 5 mm na quantidade desejada (8, 16, 24, 32, 48, 64 etc.) e insere-se os DELs. Interliga-se os DELs em grupos de 4 em série, conforme o diagrama abaixo. Vários grupos de quatro DELs podem ser ligados em paralelo no mesmo circuito. Levar em conta que cada grupo consome 20 mA. Como o trafo supostamente suporta um ampère de corrente, considero seguro trabalhar com uma carga de uns 600 mA, ou seja, até 30 grupos de 4 DELs em paralelo.
A fonte de alimentação apresentada tem os seguintes componentes eletrônicos.


quantidade Descrição
1 transformador de 12 + 12 volts, 1 A
2 diodos retificadores 1N4007
1 capacitor eletrolítico de 470 microFarads, 25 volts
1 regulador de tensão LM317 (circuito integrado de 3 terminais)
1 resistor de 1 kohm, 1/8 watt
1 potenciômetro de 10 kohm
O transformador, os diodos e o capacitor constituem a parte abaixadora e retificadora da tensão. No capacitor espera-se uma tensão de 14 a 18 volts contínuos, dependendo da corrente fornecida. O circuito integrado LM317 garante que a tensão não sobrecarregue os DELs, que são sensíveis a tensões superiores a 3,5 volts, mesmo por breves períodos de tempo. O potenciômetro permite variar a luminosidade dos DELs desde totalmente apagados até o máximo de brilho.

Se houver uma bateria (de carro ou de motocicleta), então pode-se ligar os 4 DELs em série entre os polos (catodo no negativo e anodo no positivo). Seria seguro porque a bateria não ultrapassa os 14 volts, mesmo quando completamente carregada.
Um arranjo conveniente seria utilizar um circuito retificador como o do diagrama, da esquerda para a direita até o capacitor, que seria ligado entre os polos da bateria. Dessa forma, caso haja interrupção da rede, a luz não se apagaria. A bateria ficaria num permanente estado de carga. Quando a bateria estiver carregada, a corrente de carga se reduz a zero automaticamente.



Com poucos DELs de alta potência
Faz-se uso dos superDELs, que conduzem de 350 a 1000 mA, com potência nominal de 1 a 3,8 watts. O que torna este projeto atraente é o atenuador de luminosidade (dimmer). Nos DELs, pode-se gozar dos benefícios do circuito integrado regulador de tensão LM317, que permite variar continuamente a tensão de 1,3 volt até a tensão de alimentação máxima. Como mostrado na figura seguinte, os terminais do LM317, lidos da esquerda para a direita, olhado de frente, são A (ajuste) O (output - saída) I (input – entrada). O recurso mnemônico que uso é que AOI significa azul em japonês. Com uma corrente de miliampères, é possível regular finamente a tensão.

A luz destes superDELs é muito forte e não pode ser olhada de frente. Seu espectro de radiação visível é semelhante à do sol e pode danificar a retina. A energia luminosa liberada por um desses chega perto de 300 lumens, no seu máximo, a 1 ampère.

Com DELs intermediários de 100 mA
Estes são de potência intermediária, que funcionam nominalmente a 350 mW, ou seja, 100 miliampères e 3,5 volts. Eles são construídos com 5 pastilhas dentro do mesmo invólucro, têm um corpo cilíndrico de 10 mm de diâmetro e possuem uma potência luminosa elevada—290 candelas. Em comparação, um DEL de alto brilho de 5 mm consegue produzir no máximo 19 candelas. Considerando que 5 x 19 = 95, impressiona que tenham conseguido produzir 290 candelas com 5 pastilhas apenas.
Usei quatros destes DELs para uma luminária com surpreendente alcance e brilho no meu bosque particular.
A forma mais simples de montagem destes DELs é fazer umas taliscas (tábuas) de bambus de uns 20 x 2,5 x 0,4 cm, prender uma outra talisca de uns formando um «T», esta mais curta com um furo para prender ou amarrar a unidade no teto.
Na parte longa, virada para baixo, fazer furos de 10mm de diâmetro, de modo que o DEL passe justo, com a lente virada para o lado oposto da talisca curta. Se utilizar DELs comuns, de 5mm, evidentemente, esses furos deverão ser de 5mm. Como uma broca de 10mm de diâmetro é mais cara, eu começo com uma de 2mm e vou alargando, até a maior que tenho, de 8mm, para evitar danificar o bambu (rachar, por exemplo). Depois uso uma grosa cilíndrica para alargar cuidadosamente até 10mm. Sugiro colocar 4 DELs em cada artefato, os quais deverão estar ligados em série, isto é, cada catodo no anodo do DEL seguinte. O catodo, onde se liga o negativo da alimentação, é a perna mais curta, e o anodo (polo positivo), a perna longa.
Usamos um transformador de 12 + 12 volts e 1 ampère que teoricamente deveria manter 12 volts entre o condutor central e o extremo do secundário (em geral com as cores vermelho-preto-vermelho). O primário, onde se aplica a tensão da rede, tem 3 condutores de cores diferentes, por exemplo, preto-amarelo-vermelho. Aplica-se 110 volts entre o preto e amarelo ou entre amarelo e vermelho, mas 220 volts somente entre preto e vermelho, para evitar queimar o enrolamento primário ou o circuito alimentado pelo secundário. Quem mora num estado de 220 volts deve tomar cuidado maior na ligação da tomada, porque só existe um par que serve, enquanto que nos estados de 110 volts, nenhum par oferece perigo.
Esta fonte de alimentação, que será de 18 volts com o potenciômetro no máximo mas com pouca carga, utiliza o par de condutores extremos do secundário, os de mesma cor, deixando o condutor central sem uso. Entre esses, ligamos uma estrutura de 4 diodos retificadores 1N4007, necessária para aproveitar tanto a fase positiva quanto a negativa da onda senoidal fornecida pela rede.
O resistor de 1 kohm entre ajuste e saída, combinado com o potenciômetro de 10 kohm, programam o LM317 para oferecer 18 volts ao brilho mínimo. Essa queda de 18 para 14 volts ocorre por causa da alta impedância de saída do transformador. O condutor do enrolamento secundário, dimensionado para suportar 1 ampère, tem uma resistividade linear tão alta, que causa essa queda de 4 volts quando passa cerca de 0,5 ampère de corrente. Quando passar 1 ampère, provavelmente a tensão cairia para 10 volts, ou seja, cerca de 12 volts antes do regulador. Seria mais correto então chamar o transformador de 6 + 6 volts a 1 ampère.
A montagem que uso é a mais elementar que existe, e resulta numa estrutura tridimensional, isolada pelo ar. Com um alicate de bico, faz-se ganchinhos nas pernas dos terminais e vai-se soldando de acordo com o esquema elétrico.

Eu começo pegando um par de diodos retificadores com as faixas brancas no mesmo lado e enrolo os terminais entre si com os dedos. Faço o mesmo com o outro par, desta vez enrolo os terminais do lado oposto à faixa branca juntos. Os terminais que sobraram, enrolo juntos cada par, de modo a formar um losango simétrico. O terminal das faixas brancas será o positivo da fonte. O terminal dos opostos à faixa branca será o negativo da fonte. Os dois terminais do losango restantes são ligados aos dois condutores do secundário do transformador (onde teoricamente temos 24 volts), fazendo ganchos como expliquei. Entre o positivo e negativo ligamos o capacitor eletrolítico, cuidando que o terminal negativo no capacitor é marcado com sinais de menos.
Agora programamos o regulador, conectando o resistor de 1 kohm entre o ajuste a saída. Cortar dois pedaços de condutor de uns 15 cm de comprimento, e descascar ambas as pontas. Sobras de condutor de telefone são boas para isso. Fazer gancho e soldar um condutor no terminal central do potenciômetro e o outro na extremidade direita de quem olha pelo lado da haste. As outras extremidades de cada condutor são soldadas, um no ajuste do LM317 e o outro no polo negativo do capacitor. Finalmente, ligar a perna que sobra do regulador, a entrada, no polo positivo do capacitor. Está pronta a fonte. Falta ligar um par de condutores num plugue para a rede, e as outras extremidades no primário do transformador. Em geral, eu nem soldo essa conexão, só enrolo com os dedos e isolo com fita crepe, porque é temporária. Quem tem rede de 220 volts, ligar o plugue entre o condutor preto e vermelho. Quem tem rede de 110 volts, entre o preto e a outra cor que sobra (amarelo ou azul).



Esta foto dá uma idéia da montagem do circuito da fonte de alimentação sem suporte de circuito impresso. Note-se o regulador LM317 no primeiro plano, o capacitor com os diodos retificadores no meio e o potenciômetro no fundo, todos interligados em pleno ar. Com prática, é a melhor forma de construir circuitos artesanais.

Por Mário Miojym