Por diversos motivos, é útil saber se um determinado dispositivo está sob tensão. Por exemplo, um aparelho, apesar de estar desligado (OFF), pode estar conectado à rede eléctrica (230V-50Hz). Para este efeito informativo, muitos aparelhos têm um indicador luminoso (LED ou de outro tipo) que testemunha a presença da tensão da rede eléctrica no seu interior.

O circuito apresentado neste artigo, permite acender um LED com a tensão monofásica da rede eléctrica (230V – 50Hz). Pode então por exemplo, instalar este circuito num qualquer aparelho que funcione a 230V ou ainda instalá-lo num quadro eléctrico para indicar a presença de cada Fase, etc.

AVISO: Este artigo tem fins meramente informativos. Se não tem formação e experiência na montagem e manuseamento de circuitos eléctricos com tensão da rede eléctrica, procure ajuda de um técnico ou electricista qualificados. O autor deste artigo não se responsabiliza por quaisquer danos materiais ou fisiológicos que possam advir da consulta e implementação do conteúdo deste artigo. A sua utilização de qualquer informação ou materiais publicados neste artigo é da sua total responsabilidade. Se não concorda com o conteúdo deste aviso, queira abandonar este sítio.

O Esquema

Princípio de funcionamento

É possível simplificar este esquema, retirando dele o condensador. Funcionalmente, o resultado seria o mesmo; i.e., o LED acenderia sempre que se aplicassem 230V entre os terminais J1 e J2, desde que a resistência R1 tenha sido dimensionada apropriadamente. Porém, esta resistência seria demasiado “grande” pela potência que teria de dissipar como se pode verificar pelas operações seguintes:

U_REDE = 230 V
U_LED = 1,6 V
I_LED = 20 mA (0,02 A) – Valor máximo, para um LED comum.

R1 = (U_REDE – U_LED) / I_LED = (230 – 1,6) / 0,02 = 11420 Ω -> 12000 Ω (12 kΩ)

Com R1 = 12 kΩ, a corrente no LED passa a ser:

I_LED = (U_REDE – U_LED) / R1 = (230 – 1,6) / 12000 = 0,019 A (19 mA)

A potência que a resistência terá de dissipar, pelo papel abaixador de tensão e limitador de corrente para o LED é calculada pela expressão:

PR = R1 x I² = 12000 x 0,019² = 4,33 W (Temos um aquecedor!)

Para evitar o uso de uma resistência “de aquecimento”, e baixar a tensão da rede para a necessária para o LED, recorre-se então ao uso de um circuito RC série. Esta técnica é frequentemente usada em fontes de alimentação sem transformador. Mas atenção!!! Esta técnica só funciona correctamente para cargas com corrente constante, pois a queda de tensão no par RC varia com a corrente solicitada pela carga.

Dimensionamento dos componentes

No dimensionamento de um “transformador de tensão” sem Transformador (máquina electromagnética), procura-se minimizar as perdas por Efeito de Joule (calor) na resistência, passando para o condensador a tarefa de baixar a tensão, já que este não sofre (tanto) de Efeito de Joule. Isto é possível porque o condensador, em corrente alternada adquire uma Impedância que tem o mesmo “efeito voltaico” que a resistência.

A resistência tem no entanto, de permanecer no circuito para limitar a corrente neste (circuito série).

Para proteger o LED contra eventuais flutuações da tensão da rede, limita-se a 15 mA, a corrente no mesmo, o que para um LED vulgar, permite um brilho muito bom. Assim,

U_REDE = 230 V
f_REDE = 50 Hz
U_LED = 1,6 V
I_LED = 15 mA (0,015 A)

Z = (U_REDE – U_LED) / I_LED = (230 – 1,6) / 0,015 = 15227 Ω

Z = √ (R1² + X_C1²)

A questão agora consiste em arbitrar valores aos componentes R1 e C1 por forma a obter uma impedância total Z com cerca de 15,2 kΩ.

Se se utilizar uma resistência comum de 0,25 W e se limitar a potência desta a 0,2 W (por aplicação de um factor de cagaço), deduz-se o valor da resistência para uma corrente de 15 mA da seguinte forma:

R1 = P / I_LED² = 0,2 / 0,015² = 889 Ω

Sabendo que a potência dissipada na resistência aumenta com o valor desta, reduz-se o valor obtido acima para o valor normalizado imediatamente abaixo (Série E12), isto é 820 Ω!

Conhecendo os valores de R1 e de Z, calcula-se o valor da impedância do condensador C1:

XC1 = √ (Z² – R²) = √ (15227² – 820²) = 15205 Ω

Sabendo que X_C1 = 1 / (2 . Π . f_REDE . C1), obtém-se o valor da capacidade do condensador C1:

C1 = 1 / (2 . Pi . f_REDE . X_C1) = 1 / (2. Pi . 50 . 15205) = 209.10^-9 = 209 nF

Sabendo que a impedância de um condensador diminui com o aumento da sua capacidade, ajusta-se o o valor obtido para um valor normalizado imediatamente abaixo (180nF). No entanto, é interessante verificar os valores teóricos das grandezas envolvidas no circuito, também para o valor imediatamente acima dos 209 nF (220nF). A tabela abaixo apresenta os resultados das grandezas relevantes no circuito para as diferentes combinações R1-C1.

Comparando as soluções 2 e 4 da tabela acima, verifica-se que para uma corrente aproximadamente igual (mesmo brilho do LED), a potência dissipada na resistência da solução 4 atinge valores próximos do limite nominal do modelo previamente escolhido (1/4W).

Optando-se pela solução 2, o esquema do circuito fica:

Cuidados adicionais

Conforme o esquema tratado aqui, existe ainda neste circuito um díodo (D1) de tipo 1N4007. Este díodo tem por função, proteger o LED durante a arcada negativa da tensão da rede eléctrica. De facto, sem este díodo, durante a arcada negativa, o LED ficaria submetido a uma tensão máxima de 230 . √ 2 = 325 V!!! Os LEDs não suportam este valor de tensão inversa. Uma forma de proteger o LED deste valor de tensão, consiste em ligar em anti-paralelo, um outro díodo (poderia ser um outro LED mas, para quê dois LEDs?). Assim, durante a arcada negativa da tensão da rede, o LED fica submetido a uma tensão inversa igual ao valor da tensão directa do díodo D1: cerca de 0,7 V.

Pelo que se conta no parágrafo anterior, deduz-se que o LED está aceso apenas durante a arcada positiva da tensão da rede. De facto, o LED só está aceso durante metade do período da tensão da rede; isto é, durante 10 ms (f=50 Hz).

Um outro pormenor a ter em atenção é a tensão de serviço do condensador C1. Se se tiver em consideração o momento em que a tensão da rede passa pelo seu valor máximo (cerca de 325 V), o condensador fica submetido a uma tensão de:

U_C1 = U_MAX – U_R1 – U_LED = 325 – (R1 . I_LED) – 1,6 = 325 – 820 . 15,8.10^-3 – 1,6 = 310 V

Como tal, o condensador deverá ter uma tensão de serviço superior a este valor; por exemplo: 400V.

Finalmente, aconselha-se (vivamente) a colocação de uma resistência de alto valor (e.g., 1MΩ), em paralelo com o condensador. Esta resistência descarregará o condensador quando o circuito não estiver a ser alimentado.

Lista de componentes

R1: 820 Ω – 1/4 W
C1: 220 nF – 400 V
D1: 1N4001
D2: LED standard

Não faz parte do âmbito deste artigo apresentar soluções de montagem deste circuito. Recomenda-se o máximo cuidado e respeito pelas regras de segurança na montagem, instalação e utilização deste circuito. Se tiver dúvidas acerca do que está a fazer, procure ajuda especializada! A sua vida, a de outras pessoas, de animais ou de bens, depende da atitude que tiver daqui em diante.

Implementação experimental

A imagem acima ilustra uma implementação tipo “Live” do circuito. Esta implementação foi usada para verificar experimentalmente a funcionalidade do circuito e efectuar diversas medições. Uma integração deste circuito numa qualquer aplicação final, carece de protecção física contra contactos acidentais; isto é, isolamento adequado dos componentes e de todos os condutores.