LEDS - A iluminação do futuro (EL042)

Escrito por Newton C Braga

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. Veja nesse artigo como os LEDs estão substituindo as lâmpadas comuns nas aplicações que envolvem iluminação. (2007)

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.

Na figura 1 temos um exemplo de LED multichip.

 


 

 

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 2.

 

Figura 2 - Rendimento de uma lâmpada incandescente
Figura 2 - Rendimento de uma 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 3 - A lâmpada incandescente
Figura 3 - A 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.

 

A Tecnologia dos LEDs

O LED básico consiste num chip de diodo semicondutor montado numa base refletora em forma de concha. O chip é conectado aos terminais e o conjunto é envolto por um invólucro de plástico transparente, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 - Estrutura de um LED comum
Figura 4 - Estrutura de um LED comum

 

Os LEDs comuns são dispositivos monocromáticos com uma faixa de emissão muito estreita, conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5 - Espectro de emissão de alguns LEDs
Figura 5 - Espectro de emissão de alguns LEDs

 

A cor do LED é dada pela freqüência de emissão que depende dos níveis de energia dos materiais usados, ou seja, da dopagem e do tipo de material.

Assim, os LEDs comuns podem ser obtidos em comprimentos de onda que vão desde o infravermelho entre 830 ou 940 nanômetros, até os de menor comprimento de ondas na faixa dos 700 aos 400 nm que correspondem as cores do espectro do vermelho ao azul.

Colocando LEDs de cores diferentes, por exemplo, RGB, podemos combinar a intensidade de emissão de cada um e assim obter qualquer cor do espectro, conforme mostra a figura 6.

 

Figura 6 - O ponto de emissão de LEDs de diferentes cores
Figura 6 - O ponto de emissão de LEDs de diferentes cores

 

Para chegar aos LEDs com todas as cores possíveis de emissão, a tecnologia de fabricação desses componentes passou por um lento processo de evolução.

 

Um Pouco da História dos LEDs

Todas as tecnologias que levam à fabricação dos LEDs são baseadas nas propriedades físicas de quatro elementos: alumínio (Al), Arsênio (As), Gálio (Ga) e Fósforo (P), cujos símbolos, números atômicos e massas atômicas são mostrados na figura 7.

 

Figura 7 - Elementos usados nos LEDs
Figura 7 - Elementos usados nos LEDs

 

Tipo original infravermelho

A descoberta de que as junções semicondutoras emitem luz quando polarizadas no sentido direto não é recente. Somente na década de 50 é que se conseguiu elaborar um dispositivo eficiente que emitisse radiação em quantidade, podendo ser aproveitada em aplicações práticas.

Assim, o tipo original de diodo de Arseneto de Gálio ou GaAs tinha um pico de emissão em 940 nm, um comprimento de onda invisível ao olho humano (infravermelho), apresentando uma queda de tensão da ordem de 1,2 V a 1,3 V quando em condução. A corrente direta era da ordem de 50 mA.

 

Infravermelho de Alta Eficiência

Após o desenvolvimento do tipo básico surgiram os primeiros LEDs de alta eficiência usando GaAlAs (Arseneto de Gálio com Alumínio), emitindo radiação numa faixa de 880 nm a 940 nm, ainda no espectro infravermelho.

A queda de tensão nesses LEDs é da ordem de 1,4 V e a corrente de 50 mA. Apesar do comprimento de onda mínimo estar em torno de 880 nm, um espalhamento espectral leva a emissão de radiação até 800 nm, o que está no extremo inferior da radiação visível, dentro do vermelho.

Assim, tais LEDs podiam ser vistos acesos levemente se num local muito escuro.

 

LEDs Vermelhos Originais de Alta Eficiência

Esses LEDs, criados em 1960 usavam Fosfeto de Gálio dopado com zinco e oxigênio (GaP;Zn;O), produzindo uma radiação dentro do espectro visível em 630 nm.

Esses LEDs operando com uma corrente de 20 mA, eram de 2 a 3 vezes mais eficientes que os LEDs originais.

As cores variavam com a corrente. Com correntes entre 0,5 e 1 mA a luz emitida estava perto do vermelho puro. Se o LED não fosse pintado também de vermelho, as cores variavam de laranja até laranja amarelado com uma corrente de 30 mA.

A saída espectral era, portanto, uma faixa relativamente larga, com um pico nominal em 697 nm, o que não estava muito longe do vermelho para baixas correntes. Com altas correntes verificava-se a presença se um segundo pico espectral em 510 nm, o que já estava na faixa do verde-azul.

A corrente máxima era aproximadamente 30 mA, e a queda de tensão da ordem de 1,9 V.

 

Vermelho Visível - Fórmula Original

Est LED foi criado em 1968 e era de Arseneto Fosfeto de Gálio (GaAsP) em um substrato de Arseneto de Gálio (GaAs).

O pico de resposta espectral deste LED está em torno de 66 nm. A cor é o vermelho puro, mas sua eficiência é baixa. A maioria dos LEDs que usam essa tecnologia têm uma corrente máxima contínua de 50 mA, mas a corrente típica é de 20 mA.

Trata-se de um LED relativamente brilhante e a queda de tensão é da ordem de 1,6 a 1,75 V.

 

LED Vermelho Ultra-Brilhante

LEDs com essa técnica, emitindo em 660 nm surgiram em 1980, sendo feitos de Arseneto Fosfeto de Gálio e Alumínio (GaAlAsP).

A eficiência total desse LED é da ordem de 9 lumens por watts. Os picos de saída estão entre 650 nm e 670 nm. A cor é o vermelho puro como no LASER com uma freqüência dominante em 640 nm, mas pode alcançar mais chegando aos 660 nm.

A eficiência é maior com correntes na faixa de 20 a 25 mA e a queda de tensão com uma corrente de 20 mA está entre 1,8 V e 1,9 V.

 

LED Vermelho e Laranja de Alta Eficiência

Este LED surgiu em 1990 sendo feito de Arseneto Fosfeto de Gálio (GaAsP) num substrato de Fosfeto de Gálio (GaP).

Trata-se do primeiro LED de baixa corrente e alta eficiência. Isso deve-se ao fato de que o substrato de Fosfeto de Gálio é transparente à radiação emitida, o que não ocorre com o Arseneto de Gálio.

A cor emitida de forma dominante é o laranja-vermelho com uma freqüência centralizada em torno de 620 nm. Uma variação pequena tem um comprimento de onda na faixa de 610 a 615 nm, o que está dentro do laranja.

A corrente de operação está entre 5 e 20 mA, com uma corrente máxima de 30 mA. A queda de tensão com 20 mA é da ordem de 1,9 V.

A partir deste ponto novas tecnologias possibilitaram o desenvolvimento de LEDs com outras faixas de emissão, indo ao verde, azul e hoje até mesmo tipos que alcançam o violeta já são disponíveis.

Na figura 8 temos um gráfico que mostra a evolução dos LEDs até 1995. Hoje temos LEDs de muito mais alta eficiência alcançando os extremos do espectro violeta e até mesmo ultravioleta.

 

Figura 8
Figura 8

 

As Lentes

De modo a se obter diretividade e conseqüentemente maior rendimento para um LED numa aplicação, lentes podem ser empregadas no próprio invólucro.

Estas lentes, conforme mostra a figura 9, têm por finalidade dirigir a maior quantidade de luz produzida em determinada direção.

 

Figura 9 - Diretividade de um LED
Figura 9 - Diretividade de um LED

 

As lentes assim como os invólucros dos LEDs podem ser de diversos tipos.

O primeiro tipo é a transparente, que não produz praticamente nenhuma atenuação na luz emitida. Esse tipo de invólucro é usado em LEDs que sejam usados em aplicações onde a alta intensidade de luz é desejada.

O segundo tipo é o LED com lente ou invólucro colorido. Normalmente a cor do material indica a cor do LED.

Temos ainda os LEDs com lentes difusas que são feitas de finíssimas partículas de vidro misturadas no invólucro de epóxi. Esses LEDs são usados nas aplicações em o LED é embutido em furos nos painéis de equipamentos eletrônicos. Na figura 10 temos a curva de diretividade típica de um LED desse tipo e como ele é feito.

 

Figura 10 - LED com Lente difusa
Figura 10 - LED com Lente difusa

 

Encontramos ainda as lentes não difundidas que não possuem partículas de vidro no epóxi e produzem uma ângulo de visão estreito de aproximadamente +/- 12º , sendo usadas na iluminação de painéis de fundo, nos quais a luz do LED deve ser dirigida para uma janela translúcida, como ocorre em monitores e televisores LCD.

É claro que existem outros tipos de lentes e invólucros que dependem da aplicação.

 

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.

 

Figura 11 - Temperatura de operação dos LEDs
Figura 11 - Temperatura de operação dos LEDs

 

 

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.

 

Figura 12 - Técnica antiga de se obter LED branco
Figura 12 - Técnica antiga de se obter LED branco

 

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.