Alunos:

Cleber james, Camilo Jaderson, Cássia Clarice,

Enos Emanuel e Geones Ramero.

Disciplina: Projetos Industriais.

Professor: João Irimar

Iluminação de LED

A HISTÓRIA DO LED (DIODO EMISSOR DE LUZ)

 LED é um componente eletrônico semicondutor, ou seja, um diodo

emissor de luz (L.E.D = Light emitter diode), mesma tecnologia utilizada nos

chips dos computadores, que tem a propriedade de transformar energia elétrica

em luz. Tal transformação é diferente da encontrada nas lâmpadas

convensionais que utilizam filamentos metálicos, radiação ultravioleta e

descarga de gases, dentre outras. Nos LEDs, a transformação de energia

elétrica em luz é feita na matéria, sendo, por isso, chamada de Estado sólido

(Solid State).

O LED é um componente do tipo bipolar, ou seja, tem um terminal

chamado anodo e outro, chamado catodo. Dependendo de como for

polarizado, permite ou não a passagem de corrente elétrica e,

consequentemente, a geração ou não de luz.

Figura 1- Ilustração dos Leds

História do Led

Por mais de 30 anos, os LEDs têm sido usados em diversas áreas de

aplicação, seja nos sistemas industriais, equipamentos de alta fidelidade, luzes

automotivas ou propagandas. O desenvolvimento técnico do LED continua a

passos largos. No decorrer dos últimos anos, a eficiência da luminosidade do

LED tem aumentado para impressionantes 130 lúmens por watt ou mais. Essa

é uma tendência que continuará no futuro. Além disso, o efeito físico da

eletroluminescência foi descoberto há mais de 100 anos. Segue abaixo a

tabela representativa da história do LED.

190

7

O inglês Henry Joseph Round descobre que materiais inorgânicos

podem acender quando uma corrente elétrica é aplicada. No mesmo

ano, ele publica a sua descoberta no jornal "Electrical World".

Naquela época, entretanto, ele estava trabalhando principalmente em

um novo sistema de orientação para o transporte marítimo, e essa

descoberta foi inicialmente esquecida.

192

1

O físico russo, Oleg Lossew, observa novamente o "efeito circular" da

emissão de luz. Nos próximos anos, de 1927 a 1942, ele examinou e

descreveu

esse fenômeno em mais detalhes.

193

5

O físico francês, Georges Destriau, descobre a emissão de luz no

sulfeto de zinco. Em honra ao físico russo ele chama o efeito de "Luz

de Lossew". Hoje Georges Destriau recebe o crédito como inventor

da eletroluminescência.

195

1

O desenvolvimento de um transistor marca uma etapa científica à

frente na física de semicondutores. Agora é possível explicar a

emissão de luz.

196

2

O primeiro diodo de luminescência vermelho (tipo GaAsP),

desenvolvido pelo americano Nick Holonyak, entra no mercado. O

primeiro LED na área do comprimento de onda visível marca o

nascimento do LED produzido industrialmente.

197

1

Como resultado do desenvolvimento de novos materiais de

semicondutores, os LEDs são produzidos em novas cores: verde,

laranja e amarelo. O desempenho e a eficiência do LED continua a

melhorar.

199

3

O japonês Shuji Nakamura desenvolve o primeiro LED azul brilhante

e um LED muito eficiente na faixa do espectro verde (diodo InGaN).

Algum tempo depois ele também desenvolve o LED branco.

199

5

O primeiro LED com luz branca da conversão da luminescência é

apresentado e lançado no mercado dois anos mais tarde.

200

6

Os primeiros diodos de emissão de luz com 100 lúmens por watt são

produzidos. Essa eficiência pode ser superada somente pelas

lâmpadas de descarga de gás.

201

0

Os LEDs de uma determinada cor com eficiência luminosa gigante de

250 lúmens por watt já estão sendo desenvolvidos sob condições em

laboratório. O progresso continua a avançar. Hoje, mais

desenvolvimento em direção ao OLED é visto como a tecnologia do

futuro.

Tabela 1 – Histórico da Criação e Desenvolvimento do LED

Características do Led

Um LED deve ser ligado de forma correta, o circuito de ligação deve ter

o + para o ânodo e - para o cátodo. O cátodo é a ponta mais curta e deve ter

um corte no lado da cápsula do LED. Se olharmos para o interior do led o

ânodo é o elétrodo maior (embora não seja uma forma standard de

identificação pode ser utilizada)

Os leds estão disponíveis nas cores, Vermelho, Laranja, Amarelo,

Verde, Azul e Branco. As cores branca e azul são mais caras que as restantes

cores.

Figura 2 – Representação Interna do LED

Figura 3 – Representação das Cores do Led

A cor da luz emitida pelo LED é determinada pelo material semicondutor

não pela cor da cápsula plástica que o rodeia. LEDs coloridos estão disponíveis

com cápsulas brancas, difusas ou transparentes. Em função do material

semicondutor utilizado o LED produz uma ou outra cor:

LED Vermelho: Fosforeto de Gálio (GaP); Fosforeto de Gálio e arsénico

(GaAsP);

LED Amarelo e Verde: Fosforeto de Gálio(GaP);Fosforeto de Indio,

Gálio e alumínio(InGaAlP);

LED infra vermelho: Arseneto de Gálio(GaAs); Arseneto de Fosforeto

de Alumínio e Gálio (GaAlAs).

LEDs são produzidos com diferentes formas e tamanhos. O LED de

5mm cilíndrico (o último da imagem) é o mais comum, estima-se em 80% a

produção mundial. A cor da cápsula de plástico é muitas vezes igual à cor real

da luz emitida, mas nem sempre. Por exemplo, cápsulas roxas são usadas

Figura 4 – Relação Tensão versus Corrente do LED

frequentemente para diodos emissores de luz infravermelha. Há também LEDs

para montagens de superfície utilizados nos painéis avisadores da maior parte

dos equipamentos eletro-eletrónicos. Podem ainda ser encontrados:

Bicolores:São compostos por dois leds em anti-paralelo;

Tricolores: São compostos por dois leds ligados com cátodo comum

Intermitentes: Usam um circuito integrado interno que provoca a

intermitência

Características de alguns leds:

Tabela 2 – Características dos Leds

IF max. Corrente máxima com o led ligado corretamente.

VF typ.

Voltagem tipica, VL

É aproximadamente 2V, excepto para os leds azuis

que é 4V.

VF max. Tensão máxima direta.

VR max. Tensão máxima inversa. Este valor pode-se ignorar se

o led estiver ligado corretamente.

Intensidade

luminosa

Brilho do led com a corrente normal de funcionamento,

mcd = millicandela.

Angulo de projecção

de luzStandard LEDs têm um angulo de 60°.

Comprimento de

onda

O pico de comprimento de onda visual determina a cor

da luz enviada pelo LED.

nm = nanometre.

Tabela 3 - Características dos Leds 2

Teste de um LED

IMPORTANTE:

NUNCA LIGAR UM LED DIRETAMENTE À FONTE DE ALIMENTAÇÃO!

O led destruir-se-á quase instantaneamente, demasiada corrente

passará na junção e queimará. Um led deverá ter uma resistência em série

para limitar os parâmetros de funcionamento para valores corretos, no entanto,

se desejar testar um led, pode utilizar uma resistência de 1K se a alimentação

for até 12 volts. Não esquecer de ligar os terminais corretamente (Ânodo,

Cátodo). Para calcular o valor correto da resistência limitadora, use a

calculadora mais em baixo.

Figura 5 – Ligação do LED

Ligação de Leds em paralelo

Ligar leds em paralelo com apenas uma resistência de carga, não é uma

boa ideia. Se os led's tiverem uma tensão (volts) de funcionamento diferente,

apenas o led de menor tensão acenderá e possivelmente ficará destruído.

Se os leds forem idênticos, podem ligar-se em paralelo, raramente este tipo de

ligação oferece benefícios, é preferível e aconselhável usar cada um dos leds

com a sua resistência limitadora ou uma ligação em série com vários leds.

Ligação de leds em série

Os leds podem-se ligar sem problema em série, para uma correta

ligação deve ser usado um resistor(resistência) em série, esta resistência tem

como função limitar a corrente do LED para que não fique com um valor que

exceda a corrente máxima permitida.

A ligação entre os vários leds é efetuada ligando o cátodo de um led ao

ânodo do LED seguinte.

Para calcular a resistência limitadora as tensões dos leds são somadas.

A utilização de LEDs com características diferentes não afeta o seu

funcionamento.

Figura 6 - Alerta contra ligação em paralelo de LED's

Cálculo de resistência de polarização de um led.

O led e a resistência estão em série, a tensão no led é o somatório da

tensão sobre o resistência será igual a tensão da fonte (Vfonte). Para calcular

precisamos saber o valor da tensão sobre o resistência.

R = Vres. / iled

R = resistência em ohms (ohm);

Vres. = tensão sobre o resistor em volts (V);

iled = corrente sobre o led em amperes (A);

Exemplo calculo de uma resistência de polarização de um led:

Para um led vermelho (FLV 110), a tensão é de 1,7 V, tensão da fonte

de 9V e uma corrente de 15mA ou 0,015A, então teremos:

Vres. = Vfonte – Vled

Figura 7 - Representação dos LED's em Série

Vres = 9 - 1,7 = 7,3V

R=Vres/iled R = 7,3 / 0,015 = 486ohm ( valor comercial aproximado 560ohm ).

Potência resist:

Pres. = Vres. * iled

Pres. = 7,3 * 0,015 = 0,1095W (usa-se 1/8W)

Ligação Led a 220V ou 110V AC

A ligação do LED diretamente à corrente alternada da rede

elétrica(110VAC ou 220VAC) não é possível uma vez que o LED funciona em

corrente contínua. Teremos assim que retificar a corrente alternada e reduzir a

tensão, embora o circuito tenha possibilidade de funcionar sem o

condensador(capacitor) usando em substituição um díodo, a sua utilização

protege o circuito de eventuais curto-circuitos e excesso de consumo no led

devido a eventuais avarias.

Figura 8 - Circuito Calculado

Figura 9 - Ligação do LED em 220V

LED – A iluminação do futuro

O desenvolvimento de novas tecnologias para a fabricação dos LEDs

está abrindo um importante campo de aplicação para esses componentes. Os

LEDs estão se tornando tão eficientes quanto às lâmpadas, e até mais,

podendo substituí-las em aplicações que envolvem iluminação e isso já está

acontecendo.Os LEDs estão substituindo as lâmpadas comuns nas aplicações

que envolvem iluminação.

Até há algum tempo os LEDs comuns eram fontes de luz de baixa

intensidade, monocromáticas, utilizadas apenas em painéis, indicadores e

outros dispositivos que não visavam especificamente iluminação.

No entanto, os avanços das tecnologias de fabricação de LEDs nos

últimos anos, levaram a obtenção de componentes com altíssimo rendimento,

capazes de fornecer luz com intensidade suficiente para aplicações e que

envolvam iluminação.

Do LED vermelho primitivo, desenvolvido a partir dos tipos iniciais

infravermelhos, os LEDs podem ser reunidos em chips capazes de produzir luz

num largo espectro de freqüências, se comportando como fontes de iluminação

convencionais e mais do que isso.

Pelo seu rendimento eles podem fornecer luz com muito maior

rendimento, o que significa menor consumo de energia.

Mas, os maiores avanços ocorreram recentemente, com novas técnicas

de dopagem que levaram os LEDs a apresentarem rendimentos até 20 vezes

maiores do que até então. Além disso, esses novos LEDs podiam produzir luz

semelhante a do dia, ou qualquer cor do espectro.

LEDs Brancos na Iluminação

As diferenças básicas entre os LEDs comuns e as lâmpadas

incandescentes são mais patentes quando se necessita de luz monocromática.

Os LEDs produzem diretamente essa luz com 100% de rendimento. No

caso de uma luz incandescente, ela preenche um amplo espectro e para se

obter a cor desejada é preciso usar um filtro. Com esse filtro, normalmente 90%

da luz produzida é perdida sendo bloqueada pelo filtro e apenas 10% passa,

conforme mostra a figura 10.

Figura 10 – Representação Térmica da Lâmpada Incandescente

Além disso, a maior parte da energia numa lâmpada incandescente é

convertida em calor e não em luz. Na figura 3 temos uma lâmpada

incandescente comum (que também já deixa de ser muito usada nas

aplicações domésticas em favor das lâmpadas eletrônicas de maior

rendimento).

Figura 11 - Representação Lâmpada Incandescente

Nessa figura vemos também que além da baixa eficiência, a lâmpada é

frágil, pois o vidro pode quebrar-se facilmente, o filamento é sensível a choques

e vibrações e tem sua vida limitada por diversos fatores.

Os LEDs, por outro lado não mais robustos, mais eficientes e têm uma

vida útil muito mais longa. Além disso, os LEDs são muito menores.

No início, os LEDs substituíam apenas as lâmpadas pequenas. No

entanto, com as novas tecnologias disponíveis, os LEDs podem ser

encontrados numa ampla gama de tamanhos e potências, para aplicações em

iluminação.

 

Comparando os LEDs com as Lâmpadas Incandescentes

A primeira vantagem a ser ressaltada para os LEDs em relação às

lâmpadas incandescentes é o consumo. Os LEDs precisam de 80% a 90%

menos energia que as lâmpadas incandescentes convencionais de filamento.

Além disso, a estrutura de estado sólido é muito mais robusta, tornando-

os muito menos sensíveis a choques, vibrações ou outros esforços mecânicos,

o que não ocorre com as lâmpadas comuns.

Também temos a vida muito mais longa, que pode chegar a 100 000

horas. Numa lâmpada incandescente comum a luz é produzida pelo

aquecimento de um filamento de tungstênio no interior de um bulbo de vidro. A

radiação branca consiste num espectro muito largo de radiação

eletromagnética, uma estrutura bastante frágil, conforme já vimos, o que não

ocorre com os LEDs.

Outra característica importante é o tamanho, já que os LEDs, não

precisam de um volumoso bulbo de vidro e como o rendimento é muito maior,

podem ser muito menores para uma mesma potência luminosa.

 

Relação Custo Benefício

Para se calcular as vantagens que um sistema de iluminação usando

LEDs tem em relação às lâmpadas convencionais é preciso levar em conta

diversos fatores.

Podemos dar como exemplo, o cálculo sugerido pela Lumiled, que

evidentemente serve de exemplo para um caso comum, já que cada caso é um

caso.

Inicialmente estabeleça o custo por hora do sistema que existe. Some a

ele o custo de sua manutenção, também por hora. O valor obtido está muito

próximo da economia que se pode obter com um sistema usando LEDs num

intervalo de aproximadamente 10 anos.

Uma fórmula pode ser usada para se fazer o cálculo, conforme se segue:

(M + L + O) x T x 35 = custo das lâmpadas convencionais por 10 anos

Onde:

M - custo do sistema por hora

L = custo de manutenção por hora

O = custo do trabalho do operador por hora

T = tempo médio para troca de uma lâmpada do sistema (tomado como 25

horas para lâmpadas incandescentes)

 

Efeitos da Temperatura Ambiente

Para se conseguir o máximo de longevidade de uma iluminação por LED

é preciso considerar alguns fatores que influem nisso, dentre eles a

temperatura.

Normalmente, ocorre uma alteração da intensidade e corrente da ordem

de 0,3 mA para cada grau de aumento da corrente a partir de 25º C. Assim, a

corrente de um LED deve ser reduzida em 10 mA se ele operar em 55º C em

relação à corrente nominal especificada para 25º C de temperatura.

Na prática isso pode ser compensado. Assim, se sabemos que a

temperatura de operação vai ser 30º C maior do que a especificada como

nominal, projetamos o circuito para que o LED receba 10 mA a mais de

corrente.A figura 11 ilustra o que ocorre.

Onde os LEDs Brancos Podem Ser Usados

Se bem que as finalidades de uma lâmpada incandescente e de LEDs usado

em iluminação sejam as mesmas existem ainda algumas diferenças a ser

consideradas nas aplicações práticas. Existem casos em que os LEDs brancos

não podem ser usados? Onde eles podem ser usados?

Para que possamos ter uma idéia de como os LEDs podem ser usados em

iluminação é interessante ver como luz branca pode ser obtida desses

componentes. Existem para isso duas tecnologias possíveis.

A primeira consiste em se utilizar chips de LEDs nas cores básicas (RGB) num

único invólucro ou cluster ainda fazer cobrir chips de LEDs azuis de Nitreto de

Gálio com índio (InGaN) com fósforo.

Essa técnica é mais apropriada quando se necessita de cor única da luz

emitida, como por exemplo, em painéis de elevadores.

Os LEDs desse tipo podem ser recobertos com fósforo de diversos tipos, que

vão resultar no tipo de luz produzido. Pode-se obter uma luz fria, luz branca

pálida ou luz branca incandescente.

Nessa técnica a radiação de maior comprimento de onda da radiação azul é

absorvida pelo fósforo e reemitida num espectro de freqüências mais baixo que

cobre a faixa visível, resultando em luz branca, conforme mostra a figura 12.

 

A técnica de se combinar LEDs RGB é muito mais interessante em certas

aplicações, pois combinando a maneira como os LEDs são excitados, além do

branco podemos criar centenas de cores diferentes.

Um ponto interessante a ser observado é que existe a falsa idéia de que um

LED branco de InGaN pode ser usado para iluminar lentes ou materiais de

qualquer cor. Isso é errado.

O que ocorre é que, por exemplo, a luz vermelha não é representativa num

LED branco, de modo que o LED branco só pode ser usado por trás de

superfícies ou lentes brancas.

Colocando um LED vermelho por trás de um painel ou lente vermelha a luz

produzida será de cor rosa, enquanto que uma lente amarela transforma a luz

em cor de limão e uma lente verde transforma a luz em esverdeado pálido.

Para manter cores brilhantes é preciso que a cor do LED se case exatamente

com a cor da lente ou painel.

Atualmente, para iluminação geral (residências, fábricas) uma lâmpada

incandescente ainda gera mais luz visível por watt do que um LED equivalente,

tornando ainda esse tipo de fonte mais apropriada. Mas, isso não deve durar

muito pois a cada dia LEDs mais potentes aparecem no mercado podendo

substituir de forma eficiente lâmpadas incandescentes e mesmo eletrônicas

numa infinidade de aplicações.

No entanto, nas aplicações em que se deseja uma cor específica, ou ainda

numa aplicação onde a potência é fator crítico, como em brake-lights, displays,

controles industriais, semáforos) a eficiência dos LEDs supera a das lâmpadas

comuns.

Conclusão

As características dos LEDs, aperfeiçoadas constantemente, com certeza

tornarão esse dispositivo a melhor fonte de luz para iluminação no futuro.

Tipos de altíssimo brilho, capazes de operar com correntes intensas e com

espectros que permitem obter a iluminação apropriada para cada aplicação,

deverão ser comuns no futuro.

Hoje mesmo, existem empresas que fabricam LEDs que substituem centenas

de tipos comuns de lâmpadas, apresentando o mesmo tipo e formato de

invólucro. É claro que esse invólucro é muito mais resistente, por não ter a

necessidade de empregar vidro e vácuo, mas o formato é o mesmo do tipo

original com todas as vantagens que os dispositivos semicondutores oferecem.

Enfim, os LEDs-Lâmpadas estão aí e todos que trabalham com iluminação

devem estar atentos não desprezando sua presença cada vez maior no

mercado de dispositivos de iluminação.