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Controles PWM de LEDs (ART1318)

(Dimmer e Controle de Cor)

A tecnologia do controle de potência para cargas como lâmpadas e motores já bem conhecida de todos, sendo usada há muitos anos em inúmeros projetos, como os descritos em nossos artigos. Se bem que tal tecnologia seja perfeitamente aplicável no controle de brilho de LEDs ou dimmers, o assunto não foi explorado, pois os LEDs até então, por serem pequenos e fracos não precisavam de controles de brilho. Com a disponibilidade de LEDs de alta potência, RGB e outros tipos o controle de brilho (dimmer) torna-se interessante e a tecnologia PWM é uma solução para isso, conforme veremos nesse artigo.

Até há pouco tempo os LEDs eram simples dispositivos indicadores com o brilho unicamente controlado por um resistor em série ou por uma fonte de corrente constante, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

No entanto, com o desenvolvimento de novas tecnologias para os LEDs esses dispositivos cresceram em potência e sua gama de aplicações foi ampliada enormemente.

Assim, os circuitos de controle de potência ou de brilho, também conhecidos pelo termo inglês "dimmer", para estes LEDs que não eram necessários, repentinamente se tornaram importantes havendo diversas tecnologias para isso, todas antigas, baseadas em controles de potência convencionais.

A mais simples consiste no controle linear, que pode ser feito tanto com um resistor em série como um circuito de corrente constante como os mostrados na figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

Circuitos como esse têm sido usados em inúmeras aplicações práticas como, por exemplo, o controle de brilho de lâmpadas de painéis de veículos.

No entanto, a solução mais interessante em nossos dias onde o rendimento do circuito é importante é a dada pela tecnologia PWM que justamente é o assunto desse artigo.

 

Controles PWM

Em nossos livros Robotics, Mechatronics and Artificial Intelligence (Newnes - 2002, Mechatronics Sourcebook (Thomson Learning - 2003) além de muitos artigos no site temos muito material dedicado aos circuitos PWM no controle de cargas de corrente continua como motores, lâmpadas e elementos de aquecimento.

Conforme fica claro nos textos em questão esses circuitos servem também para o controle do brilho de LEDs além de outras aplicações que analisamos nesse artigo.

Para entender como esses controles podem ser usados com LEDs devemos inicialmente analisar o princípio de funcionamento dos circuitos PWM ou Pulse Width modulation (Modulação de Largura de Pulso).

Conforme sabemos, motores de corrente contínua são dispositivos cuja potência depende da tensão que lhes é aplicada e também da intensidade da corrente que circula através deles. Da mesma forma, uma lâmpada tem seu brilho determinado pela tensão aplicada e conseqüentemente pela corrente circulante.

Para os LEDs, o brilho é determinado pela intensidade da corrente circulante já que sua característica nos mostra que a tensão entre seus terminais se mantém constante (eles se comportam como diodos).

No caso de um motor quando o carregamos um motor, sua velocidade diminui e com isso a intensidade da corrente aumenta, elevando-se assim a potência que ele consome.

Por outro lado, sob carga constante, a potência consumida aumenta com a tensão de um modo mais ou menos linear, juntamente com a corrente e a sua velocidade de rotação.

Como a fonte que alimenta tais motores normalmente tem uma resistência interna que limita sua capacidade de fornecimento de corrente, o reflexo na velocidade e torque é imediato.

No entanto, os motores de corrente contínua têm uma característica de inércia que impede que eles respondam à tensões muito baixas. Abaixo de certo valor de tensão que lhes seja aplicadas eles simplesmente não têm torque suficiente para partir e permanecem parados, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Isso faz com que os controles lineares tenham uma resposta desigual em sua faixa de operação, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

O resultado desta resposta é que não conseguimos fazer com que eles partam de modo suave, mas sim aos "trancos" e não conseguimos, com eficiência, um controle preciso no regime de baixa rotação.

Passando isso para os LEDs vemos que sua curva de brilho também não é linear em relação à tensão aplicada. Os LEDs brancos e de cores como o azul e o verde possuem tensões elevadas de operação.

Esses componentes precisam de pelo menos 2,1 a 2,7 V e em alguns casos até 3,6 V para funcionar. Isso torna um controle de potência que se baseie na corrente aplicada não linear conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

Podemos resolver este problema com um tipo de circuito que não controla a corrente no dispositivo de forma constante, mas sim através de pulsos, os quais atuam sobre a média da corrente que circula através da carga.

Este tipo de controle é que passamos a analisar a partir de agora

 

O Controle PWM

Como podemos manter o controle sobre a corrente média de uma carga de contínua sem diminuir a tensão que lhe seja aplicada, já que é a diminuição da tensão que nos leva aos problema de linearidade de resposta em baixas potências?

Podemos variar a intensidade média da corrente numa carga como um LED, um motor ou uma lâmpada se os alimentarmos com pulsos e controlarmos a duração destes pulsos.

Para que o leitor entenda melhor o que queremos dizer vamos explicar detalhadamente o processo.

Se em lugar de alimentarmos a carga com uma corrente contínua pura, e em seu lugar usarmos um elemento qualquer que ligue e desligue rapidamente o circuito, de modo a produzir pulsos retangulares com a duração e o espaçamento iguais (o que pode ser definido como um ciclo ativo de 50%), conforme mostra a figura 6, teremos um controle sobre a potência final aplicada a carga.

Com esse procedimento, a tensão de cada pulso se mantém igual a máxima da fonte, mas seu valor médio aplicado ao LED será apenas metade do valor de entrada.

 

Figura 6
Figura 6

 

Em outras palavras, se a tensão de entrada for de 6 V, o LED recebe pulsos de 6 V, mas se comporta como se, em média, recebesse uma alimentação de 3 V e através dele circulará uma corrente média que corresponde à metade da máxima, que é aquela que circula quando ele recebe 6 V.

Para um motor, nestas condições teremos a rotação com metade da sua velocidade máxima e para um LED teremos o brilho com metade da intensidade máxima.

Para modificar o brilho do LED ou a velocidade do motor podemos alterar os pulsos aplicados de duas formas.

Se aumentarmos a duração dos pulsos, ou seja, mantivermos o elemento que liga e desliga mais tempo ligado do que desligado, o a carga (LED ou Motor) recebe alimentação por mais tempo e na média podemos dizer que ele tem uma alimentação correspondente a uma tensão maior, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

Para diminuir a velocidade do motor ou o brilho do LED, basta reduzir a largura dos pulsos ou seja, manter o elemento menos tempo ligado, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

Os pulsos aplicados "a carga serão de 6 V, mas na média, como sua duração é pequena eles correspondem a uma tensão menor e com isso a corrente média também será menor, com consequente diminuição do brilho ou da velocidade.

Veja o leitor que se pudermos controlar a largura dos pulsos numa faixa de valores que vá de 1% a 99% por exemplo, teremos um excelente controle do brilho de um LED. Não podemos ter 0% ou 100% por motivos óbvios: ou paramos os pulsos com 0 V ou com 6V!

O importante neste tipo de controle é que em toda a faixa de potências a carga recebe a tensão máxima e com isso não temosos problema de torque no caso de um motor ou da não linearidade da curva característica de um LED sob regime de baixas tensões.

Como controlamos a potência aplicada a uma carga através da largura dos pulsos, ou seja variamos ou modulamos a largura dos pulsos, o processo de controle recebe o nome de modulação de largura de pulsos ou do inglês Pulse Width Modulation que abreviado, resulta na sigla PWM.

Na prática, o elemento usado para ligar e desligar a corrente pode ser uma chave (os contactos de um relê, por exemplo) ou ainda um componente semicondutor como um transistor comum (bipolar), um transistor de efeito de campo (MOSFET de potência) ou um SCR.

Transistores de potência, por exemplo, podem ser usados para controlar diversos conjuntos de LEDs em sistemas de iluminação ou mesmo de efeitos de cores, conforme veremos mais adiante.

Um oscilador é usado para determinar a velocidade do chaveamento, a qual é muito importante nesse tipo de controle, pois deve casar-se com as características da c arga controlada dos próprios componentes usados no seu controle.

No caso dos LEDs, por exemplo, uma velocidade muito baixa pode causar cintilação ou efeitos estroboscópicos indesejáveis, principalmente se eles forem usados em iluminação como está se tornando cada vez mais comum.

 

Vantagens e Desvantagens

Conforme sabemos, os controles lineares têm várias desvantagens como, por exemplo, a de não se conseguir um controle preciso em baixas freqüencias, manifestando oscilações de velocidade em motores ou cintilação no caso de LEDs.

Uma outra desvantagem está no fato de que o transistor ou outro elemento linear usado no controle faz as vezes do reostato e dissipa calor. Assim, quando a carga está na faixa média de potência o elemento de controle dissipa quase tanta potência quanto ele, o que significa produção de calor e perdas que podem não ser interessantes em muitas aplicações.

No entanto, quando usamos um transistor ou outro semicondutor para ligar e desligar a corrente produzindo pulsos estes problemas não ocorrem de maneira acentuada.

Quando o transistor está desligado e portanto a corrente é zero (entre os pulsos), não há dissipação de calor. Da mesma forma, quando o transistor liga e vai a saturação para conduzir a corrente máxima, sua resistência é praticamente zero e a potência que ele dissipa é quase nula.

Na prática, quando o transistor passa de um estado a outro ou seja, liga e desliga temos uma variação da corrente que significa uma dissipação de uma certa potência, mas mesmo assim é ela é muitas vezes menor do que num circuito linear, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9
Figura 9

 

Em outras palavras, o rendimento de um circuito de controle de potência PWM é muito maior do que um equivalente linear. Podemos usar transistores de menor dissipação para controlar cargas muito maiores!

Em se tratando de LEDs usados em sistemas de iluminação isso é muito importante. Os LEDs se caracterizam justamente pelo seu rendimento muito maior que as lâmpadas incandescentes e mesmo fluorescentes comuns. Não seria interessante perder essas vantagens com um controle de brilho ou cor que desperdiçasse energia!

A desvantagem dos controles PWM está na comutação rápida dos transistores que podem ligar e desligar milhares de vezes por segundo, dependendo do tipo de aplicação e que podem causar instabilidades no circuito.

A transição rápida de estado destes componentes gera transientes e sinais de altas frequências que são responsáveis por interferências eletromagnéticas (EMI). Esta interferência pode afetar aparelhos que operem com sinais de rádio e que estejam nas proximidades.

Para evitar estas interferências pode ser necessário empregar filtros ou outros recursos que evitem sua propagação. Este mesmo efeito pode também causar instabilidade em circuitos de controle do mesmo aparelho os quais devem ser providos de recursos para se tornar imunes a EMI.

 

Tipos de PWM

Na prática podemos ter dois tipos de controle PWM que são utilizados em condições diferentes.

 

a) Controle PWM Anti-Fase

Neste tipo de controle o sinal aplicado à carga oscila entre o positivo e o negativo, conforme mostra a figura 10.

 

Figura 10
Figura 10

 

Assim, temos pulsos positivos e pulsos negativos aplicados à carga alternadamente numa freqüência que pode variar entre poucos hertz a milhares de hertz dependendo do tipo de carga a ser controlada e de sua potência.

Se a largura dos pulsos for igual ao espaçamento, ou seja, se os pulsos positivos tiverem a mesma duração que os pulsos negatvos, a média de tensão aplicada à carga será é zero. No caso de um motor ele permanece parado. Na prática, ele vai apenas oscilar na freqüência do sinal aplicado.

No entanto, se aumentarmos a duração dos pulsos positivos diminuindo ao mesmo tempo a duração dos pulsos negativos, temos a predominância de tensões positivas aplicadas 'a carga. Se for um motor ele passa a girar no sentido que estes pulsos determinam, conforme mostra a figura 11.

 

Figura 11
Figura 11

 

Quanto maior for a largura dos pulsos positivos em relação aos negativos, maior será a tensão média positiva no motor e maior sua velocidade no sentido que ela determina.

Da mesma forma, se a largura dos pulsos negativos for maior que a dos pulsos positivos, predomina a tensão negativa na média aplicada ao motor e ele passa a girar no sentido oposto. Tanto maior for a largura dos pulsos negativos em relação aos positivos, maior será a velocidade do motor neste sentido. A figura 12 dá uma idéia do que ocorre.

 

Figura 12
Figura 12

 

Se bem que este tipo de circuito tenha a vantagem de possibilitar um controle de velocidade de um motor de corrente contínua em ambos os sentidos, ele tem uma desvantagem: quando o motor está parado ele recebe praticamente a potência máxima, continuando assim a dissipar energia convertendo-a em calor. Veja que a corrente continua circulando com intensidade máxima nos dois sentidos, mesmo estando o motor parado!

Da mesma forma, qualquer que seja a velocidade do motor num sentido ou no outro, a potência aplicada se mantém constante, pois na média, as larguras dos dois pulsos somada se mantém!

Por estas características este tipo de controle só se aplica no controle de motores de potências muito baixas, onde não existem problemas de dissipação de calor tanto pelo motor como pelo próprio circuito de controle.

No caso dos LEDs, esse circuito oferece uma opção muito interessante que veremos na prática que consiste no controle da cor da luz emitida para um conjunto de LEDs.

Se ligarmos LEDs de cores diferentes em oposição na saída do controle, nas partes positivas do sinal conduz um deles e na parte negativa o outro.

Com um ciclo ativo de 50% os dois LEDs terão o mesmo brilho e a composição da cor será dada por esse fator. No entanto, podemos mudar essa composição, alargando ou estreitando os pulsos aplicados a um e outro, de modo que no total eles se mantenham sempre em 100%. Assim, com 10% no LEDA e 90% no LEDB a cor produzida será a predominante do LEDB.

 

b) Controle Polaridade/Intensidade

Neste tipo de controle temos circuitos separados para a velocidade e para a polaridade que determina o sentido de rotação do motor ou a intensidade da luz de um conjunto de LEDs.

O que temos é um oscilador que gera o sinal retangular para o controle de potência e uma ponte H que determina o sentido de circulação da corrente na carga.

No caso de motores a inversão da corrente provoca a inversão do sentido de rotação. No caso de LEDs, podemos usar conjuntos de cores diferentes e usar a inversão para a mudar a cor da luz emitida.

A vantagem deste circuito está no fato de que a potência aplicada à carga, que é a potência que também o circuito absorve, depende da velocidade do motor ou do brilho dos LEDs. A grande maioria dos controles práticos PWM usa esta configuração.

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