Interfaces com LEDs: corrente, resistores e limites de saída TTL/CMOS

Por que LEDs exigem cuidado em interfaces digitais

Um LED não é uma carga “resistiva” comum: ele tem uma queda de tensão aproximadamente constante quando conduz (V_F) e, se ligado diretamente a uma saída digital, pode puxar corrente demais e danificar o LED ou o CI. Por isso, quase sempre se usa um resistor em série para limitar a corrente.

Além disso, saídas TTL/CMOS têm limites de corrente diferentes quando estão em nível alto (fornecendo corrente, source) e em nível baixo (afundando corrente, sink). O jeito de ligar o LED (para VCC ou para GND) muda qual desses limites você está usando.

Lei de Ohm aplicada ao resistor do LED

Modelo prático

Para dimensionar o resistor em série com o LED, use:

R = (V_ALIMENTAÇÃO - V_F_LED - V_SAÍDA) / I_LED

Onde:

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• V_ALIMENTAÇÃO: tensão do trilho (ex.: 5 V, 3,3 V).
• V_F do LED: queda típica do LED na corrente desejada (ver datasheet; valores comuns: vermelho ~1,8–2,2 V; verde ~2,0–3,0 V; azul/branco ~2,8–3,4 V).
• V_SAÍDA: queda interna da saída do CI quando conduz corrente (V_OH não chega exatamente a VCC quando fornecendo; V_OL não é exatamente 0 V quando afundando). Para um cálculo inicial, pode-se aproximar como 0 V, mas para respeitar especificação é melhor considerar a queda indicada no datasheet (V_OH mínimo e V_OL máximo nas correntes de teste).
• I_LED: corrente desejada no LED (ex.: 2 mA, 5 mA, 10 mA). Em indicadores, 1–5 mA costuma ser suficiente com LEDs modernos.

Passo a passo prático (dimensionamento rápido)

• 1) Defina o brilho: escolha I_LED conservadora (comece com 2 mA ou 5 mA).
• 2) Pegue V_F: use valor típico do datasheet (ou uma estimativa por cor).
• 3) Escolha a topologia (LED para VCC ou para GND) e identifique se a saída vai sink ou source.
• 4) Calcule R pela lei de Ohm.
• 5) Arredonde para o valor comercial acima (E12/E24) para garantir corrente menor ou igual à calculada.
• 6) Verifique o limite de corrente da saída (por pino e total do CI) e a dissipação do resistor: P = I^2 * R.

Exemplo 1 (5 V, LED vermelho, 5 mA)

Suponha VCC=5 V, LED vermelho com V_F=2,0 V, corrente desejada 5 mA. Aproximação inicial sem considerar queda da saída:

R = (5,0 - 2,0) / 0,005 = 600 Ω

Escolha comercial: 680 Ω (corrente um pouco menor, mais seguro) ou 620 Ω (mais próximo). Com 680 Ω:

I ≈ (5,0 - 2,0) / 680 ≈ 4,4 mA

Exemplo 2 (3,3 V, LED azul, 2 mA)

VCC=3,3 V, LED azul V_F=3,0 V, I desejada 2 mA:

R = (3,3 - 3,0) / 0,002 = 150 Ω

Escolha 180 Ω para reduzir corrente e acomodar variações de V_F e VCC.

Source vs Sink: o que muda na prática

Definições

• Source (fornecer corrente): a saída em nível alto fornece corrente para a carga, que retorna ao GND.
• Sink (afundar corrente): a saída em nível baixo drena corrente da carga, que vem de VCC.

Em muitas famílias TTL clássicas, a capacidade de sink costuma ser maior do que a de source. Em CMOS modernos, frequentemente há mais simetria, mas ainda assim é comum haver limites diferentes e dependência forte do VCC.

Topologias comuns de ligação de LED

1) LED para VCC (saída afundando corrente — sink)

Nesta topologia, o LED acende quando a saída vai para nível baixo.

VCC --- R ---|>|--- pino de saída do CI

Como funciona: com a saída em 0 (LOW), a corrente flui de VCC → resistor → LED → pino (que afunda) → GND interno do CI.

Vantagens: frequentemente é a melhor opção quando a família lógica afunda mais corrente do que fornece (muito comum em TTL). Também pode reduzir problemas quando o nível alto precisa ficar bem próximo de VCC para ser reconhecido por outras entradas.

Dimensionamento: use V_OL máximo do datasheet na corrente escolhida (a saída em LOW não é 0 V ideal). Fórmula mais realista:

R = (VCC - V_F - V_OL) / I_LED

2) LED para GND (saída fornecendo corrente — source)

Nesta topologia, o LED acende quando a saída vai para nível alto.

pino de saída do CI --- R ---|>|--- GND

Como funciona: com a saída em 1 (HIGH), a corrente flui do pino → resistor → LED → GND.

Cuidados: em TTL clássico, a capacidade de source pode ser bem menor; então o LED pode ficar fraco ou forçar o pino além do especificado. Em CMOS, costuma funcionar bem, mas ainda é necessário respeitar o limite de corrente e considerar que V_OH cai quando a saída fornece corrente.

Dimensionamento: use V_OH mínimo do datasheet na corrente escolhida:

R = (V_OH - V_F) / I_LED

Se você usar VCC no lugar de V_OH, pode superestimar a corrente real (o LED ficará menos brilhante do que o previsto) e, pior, pode empurrar a saída para fora da faixa de nível alto garantido para outras entradas.

Como TTL e CMOS influenciam o LED

O que observar no datasheet (sem decorar números)

• Corrente máxima por pino (I_O source e sink).
• Corrente total por CI (soma dos pinos) e por grupo de pinos (alguns CIs têm limites por “banco”).
• V_OH mínimo na corrente de source e V_OL máximo na corrente de sink.

Regra prática de escolha de topologia

• Se você está usando uma família em que sink > source, prefira LED para VCC (ativo em LOW).
• Se você precisa de LED ativo em HIGH, use LED para GND, mas reduza I_LED e confirme V_OH mínimo e I_OH no datasheet.
• Em CMOS, as duas topologias costumam ser viáveis, mas ainda assim verifique a queda de V_OH/V_OL e o limite total de corrente.

Boas práticas e proteção

Um resistor por LED (não compartilhe)

Evite colocar vários LEDs em paralelo com um único resistor. Pequenas diferenças de V_F fazem um LED “roubar” corrente e ficar mais brilhante, podendo sobrecarregar. Use um resistor em série para cada LED.

Evite operar no limite

• Para indicadores, prefira 1–5 mA e aumente apenas se necessário.
• Considere tolerâncias: VCC pode variar, V_F varia com lote e temperatura, e o CI tem dispersão de V_OH/V_OL.

Proteção contra ligação incorreta e transientes

• Resistor em série já é a principal proteção do LED e do pino.
• Se o LED estiver em um cabo externo ou ambiente ruidoso, considere resistor em série próximo ao pino e, se necessário, capacitor pequeno (ex.: 100 pF a 1 nF) para reduzir picos rápidos (avaliar impacto em tempo de subida/descida).
• Evite que o LED injete corrente em pinos quando o CI estiver desligado: em sistemas com múltiplas alimentações, verifique caminhos de corrente via diodos internos de proteção e considere resistores maiores ou transistores.

Quando usar transistor (ou driver)

Use um transistor (BJT/MOSFET) ou um CI driver quando:

• Você precisa de corrente maior (ex.: 15–20 mA por LED, barras de LED, vários LEDs simultâneos).
• Você precisa acionar tensão diferente da lógica (ex.: LED em 12 V).
• Você quer preservar níveis lógicos (V_OH/V_OL) e reduzir carga no pino.

Exemplo com NPN (sink) para LED em 5 V:

VCC --- R_LED ---|>|--- coletor (NPN) emissor --- GND

pino do CI --- R_BASE --- base (NPN)

O pino do CI passa a fornecer apenas corrente de base (pequena), e o transistor afunda a corrente do LED. Para um dimensionamento inicial: escolha I_LED, calcule R_LED normalmente; para saturar o NPN, use uma razão forçada (por exemplo I_B ≈ I_C/10) e calcule R_BASE considerando V_BE ~0,7 V e a tensão de saída do pino em HIGH.

Roteiro de teste: brilho e confiabilidade sem exceder especificações

Checklist antes de energizar

• Confirmar polaridade do LED e valor do resistor (um por LED).
• Confirmar topologia: LED para VCC (ativo em LOW) ou para GND (ativo em HIGH).
• Checar no datasheet do CI: I_OH/I_OL por pino, corrente total e V_OH/V_OL nas correntes escolhidas.

Medições práticas (multímetro)

• 1) Medir VCC real do circuito.
• 2) Medir a tensão no pino quando LED está aceso (V_OH ou V_OL reais).
• 3) Medir a queda no resistor (V_R) e calcular corrente: I = V_R / R.
• 4) Verificar nível lógico: se o pino em HIGH caiu demais (V_OH baixo), o LED pode estar “pesando” na saída e prejudicando a leitura por outras entradas.

Teste de estresse leve (segurança)

• Deixe o LED ligado por alguns minutos e toque no resistor e no CI (com cuidado): aquecimento excessivo indica corrente alta ou dissipação inadequada.
• Se vários LEDs acendem ao mesmo tempo, teste o pior caso (todos ligados) e verifique se VCC não cai e se o CI não aquece.

Exercícios de dimensionamento

Exercício 1 (ativo em LOW, sink)

Você tem VCC=5 V, LED vermelho V_F=2,0 V, deseja I=4 mA. O datasheet indica V_OL máximo de 0,2 V na corrente escolhida. Calcule R e escolha um valor comercial acima.

Exercício 2 (ativo em HIGH, source)

VCC=3,3 V, LED verde V_F=2,2 V, deseja I=3 mA. O datasheet indica V_OH mínimo de 2,9 V nessa corrente. Calcule R usando V_OH e compare com o cálculo usando 3,3 V. O que muda no brilho previsto?

Exercício 3 (limite de corrente total)

Um CI tem limite de 50 mA de corrente total somando todas as saídas. Você quer acender 12 LEDs simultaneamente, cada um com 5 mA. Isso é permitido? Se não, proponha duas soluções: (1) reduzir corrente por LED e (2) usar transistores/drivers.

Exercício 4 (transistor NPN)

Você precisa de I_LED=20 mA em 5 V com LED V_F=2,0 V, acionado por uma saída lógica. Calcule R_LED. Depois estime R_BASE para um NPN em saturação usando I_B=I_C/10, V_BE=0,7 V e V_OH=5 V (assuma saída CMOS forte). Use valor comercial.