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Excitando Lâmpadas (ART755)

Se bem que os LEDs tendam a substituir as lâmpadas incandescentes na maioria das aplicações, tanto pelo seu maior rendimento quanto maior confiabilidade, as lâmpadas ainda podem ser encontradas em algumas aplicações eletrônicas. No entanto, para excitar uma lâmpada a partir de um circuito eletrônico, o projetista precisa levar em conta suas características. Veja nesse artigo de 2008 como fazer isso corretamente.

Diferentemente dos LEDs que se comportam como diodos, as lâmpadas incandescentes comuns, que utilizam filamentos de tungstênio, possuem uma curva em que um elevado coeficiente de temperatura se manifesta, conforme, mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Nas lâmpadas comuns a resistência do filamento é muito menor do que a resistência filamento a quente ou operando com tensão normal, o que significa um surto de corrente elevado quando ela é ligada. A figura 2 mostra o que ocorre.

 

Figura 2
Figura 2

 

Numa lâmpada comum esse surto pode alcançar valores que chegam a 10 ou mais vezes que a corrente nominal.

Essa característica tanto contribui para a fragilidade da lâmpada que pode queimar nesse instante, como também força elementos do circuito que devem excitá-la como transistores, MOSFETs, SCRs, etc.

Isso significa que os dispositivos que vão ser usados para excitar lâmpadas em circuitos em que elas devam ser comutadas muitas vezes, devem estar especificados para operar com correntes de pico bastante elevadas.

Entretanto, uma limitação para muitos projetos que fazem uso de lâmpadas é que os dispositivos que vão manusear as correntes de pico elevadas, são caros e em alguns casos podem influenciar de maneira decisiva o custo do projeto. Existem, entretanto soluções que podem minimizar o problema, por exemplo, reduzindo a corrente de pico, conforme veremos a seguir.

 

Reduzindo a Corrente Inicial

Existem vários métodos para se reduzir a valores seguros para um componente mais frágil, a corrente inicial de acendimento de uma lâmpada.

É claro que levamos em conta que os circuitos não levam em conta questões de consumo, pois normalmente as lâmpadas não são utilizadas atualmente nas aplicações mais sensíveis à energia, como é o caso das aplicações alimentadas por pilhas.

O primeiro método é mostrado na figura 3 consistindo num resistor de pré-aquecimento.

 

Figura 3
Figura 3

 

Esse resistor é calculado para manter uma corrente na lâmpada que deixe o filamento levemente aquecido e portanto com uma resistência maior do que a resistência à frio.

Dessa forma, quando o transistor comutar, encontrando a lâmpada pré-aquecida, não terá de aplicar a corrente a uma resistência tão baixa e a corrente de comutação será menor. Esse procedimento pode reduzir em até 4 vezes a corrente inicial na lâmpada.

Nas aplicações práticas é recomendado que o resistor mantenha uma corrente de 25% do valor da corrente nominal, o que faz com que a lâmpada fique bem aquecida (filamento até avermelhado), mas não seja percebida luz alguma eventualmente num painel ou num sistema de sinalização.

A desvantagem desse método está no fato da lâmpada continuar consumindo energia mesmo depois de desligada. Evidentemente, trata-se de solução que deve ser aplicada somente nos casos em que esse fator não é tão importante.

Outra possibilidade é a mostrada na figura 4, consistindo num resistor limitador de corrente ligado em série com a lâmpada.

 

Figura 4
Figura 4

 

Quando a resistência da lâmpada se encontra baixa, devido ao fato do filamento estar frio, a corrente é limitada por esse resistor externo, obtendo-se assim um pico de corrente menor. A maior parte da potência inicial aplicada é dissipada nesse resistor.

Tão logo o filamento se aqueça, com sua resistência aumentando, a potência passa a ser aplicada na lâmpada e a potência dissipada no resistor diminui. Evidentemente, mesmo assim ele vai continuar dissipando uma parte da energia na forma de calor.

A vantagem dessa solução em relação à anterior está no fato de que não temos dissipação de calor quando a lâmpada está apagada e ela fica totalmente apagada nessa condição.

 

Soluções Integradas

Existem entretanto soluções ainda melhores, que devem ser adotadas nos casos em que temos um produto de maior valor agregado, ou que precise empregar tecnologias mais modernas e em algum ponto ainda exista uma lâmpada incandescente para ser excitada.

Nesses casos existem circuitos integrados limitadores de corrente especialmente projetados para excitar lâmpadas, como os da Allegro Microsystems (www.allegro.micro). Na relação de circuitos disponíveis para essa finalidade, muitos dos quais com diversos canais, podemos excitar os seguintes:

 


 

Uma característica importante dos circuitos que utilizam a limitação de corrente está no prolongamento da vida útil das lâmpadas. De fato, quando uma lâmpada alcança suas etapas finais de vida, principalmente devido à evaporação do metal do filamento, ela se torna frágil a impactos tanto mecânicos como de dilatação devido às variações da corrente. Essa é a principal causa da queima das lâmpadas depois de um certo tempo de uso.

Assim, as lâmpadas que não estejam, sujeitas ao impacto de corrente no momento em que são ligados têm uma vida útil maior, não só preservando também os circuitos excitadores.

Uma técnica final de excitação de lâmpadas que também pode ser empregada exigindo, entretanto um circuito talvez mais elaborado, dependendo da aplicação é o que produz uma partida suave ou soft start, conforme mostra o gráfico da figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

O que esse circuito faz é aumentar suavemente a tensão aplicada à lâmpada dando assim tempo para que o filamento se dilate. Um circuito simples para essa finalidade é o mostrado na figura 6, em que a constante RC determina o tempo de subida da tensão aplicada à lâmpada e, portanto a variação da corrente de modo que ela não alcance um pico elevado logo no instante em que o circuito é comutado.

 

Figura 6
Figura 6

 

Os valores dos componentes para esse circuito dependem da tensão e da intensidade da corrente na lâmpada. Na figura 7 temos outra versão desse circuito em que a rede de retardo RC é ligada em série com a lâmpada.

 

 

Figura 7
Figura 7

 

Conclusão

Lâmpadas incandescente quase não são mais usadas nas aplicações eletrônicas que envolvam sinalização luminosa ou mesmo iluminação, pois os LEDs estão fazendo essa tarefa com mais eficiência.

No entanto, existem os casos em que as lâmpadas devem ser usadas. Para esses casos, o projetista deve tomar muito cuidado com os circuitos de excitação, pois as lâmpadas possuem características elétricas completamente diferentes dos LEDs. Nesse artigo demos algumas informações de como isso deve ser feito.

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