Óptica - LED

Óptica - LED

03/10/2018

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  Este artigo é dedicado ao Diodo Emissor de Luz, mais conhecido como LED (Light Emmiting Diode). Assim como foi explicado o funcionamento da lâmpada incandescente e da lâmpada fluorescente, vai ser explicado o funcionamento deste componente tão famoso no mundo da eletrônica!

   Para entender melhor o funcionamento de um LED, aconselho a ler o artigo do HC sobre semicondutores. Para acessar este artigo, CLIQUE AQUI!

 

  Outra coisa que é importante saber, é sobre a óptica física. O HC possui 2 artigos detalhando este assunto:

 

A Óptica e a tecnologia - Capítulo 1

 

A Óptica e a tecnologia - Capitulo 2

 

 

  O estudo dos LED's começou à muito tempo atrás. O primeiro LED emitia luz infravermelha e era feito de Arseneto de Gálio e Arseneto de Gálio com Indio (FgaAs e GaAsI). A partir daí os estudos se voltaram a criar um material que emitisse radiação eletromagnética no espectro visível do olho humano.

  O primeiro LED, de cor vermelha, foi criado por Nick Holonyac no ano de 1963. Este LED possuía semicondutor à base de GaAsP (Gallium Arsenide Phosphide). Após a possibilidade de produzir o LED criado por Nick em escala industrial, nos anos 1970 vieram mais estudos em cima desta tecnologia, e que possibilitaram a criação de LED's de outras cores.

  Como você já deve ter notado, o LED é feito de semicondutores, assim como o diodo e o transistor, só que, diferente de seus "irmãos" ele não utiliza o elemento químico Silício ou o Germânio como base para sua construção, mas sim outros elementos que propiciam um funcionamento similar a outros componentes feitos de semicondutores, além de, claro, emitir luz visível!

  Existem LED's das mais variadas cores, inclusive os LED's RGB, que emitem as cores vermelho, verde e azul e que podem ser combinadas em intensidades diferentes para formar milhares de outras cores! Abaixo, você vê a lista com os principais composições químicas utilizadas nos semicondutores que permitiram a criação de LED's de várias cores:

   Além destas, existem LED's violeta, rosa e de várias outras cores. Na tabela acima mostramos os principais materiais utilizados e a tensão necessária para o funcionamento mas, este valor de tensão pode ter pequenas variações de marca para marca, o comprimento de onda também pode ter variações, e como a tecnologia está em constante progresso, provavelmente no momento em que você está lendo o artigo, novos materiais tenham sido criados...

  Abaixo, você vê a lista de semicondutores com sua respectiva sigla:

  Não incluímos nas tabelas acima os materiais utilizados nos LED's infravermelho e ultravioleta.

  Na eletrônica, o LED assume um símbolo igual ao do diodo, mas com um detalhes a mais. Veja seu símbolo na imagem abaixo:

  Veja abaixo, o diagrama de um LED. Na sequência, a explicação de cada parte.

  OBS.: O "Pós" pode ser chamado de "plaqueta", que em conjunto com a "bigorna" formam o quadro de condução.

 

   Dentro da cápsula do LED, há uma base denominada "pós" e outra base denominada "bigorna", que formam um quadro de condução. Normalmente, o "pós" é o terminal do ânodo e a "bigorna" é terminal do cátodo.

  Na "bigorna" há uma espécie de copo, isto é, uma cavidade refletiva onde o chip semicondutor é depositado dentro. Esta base é maior do que a outra justamente por causa desta cavidade, já que ela deve dar suporte a toda a estrutura do LED.

  A base denominada "pós" é menor, pois sua única utilidade é suportar um minúsculo fio que encosta no polo positivo (lado P) do chip semicondutor, interligando o ânodo e o cátodo.

  Na parte de cima da cápsula do LED, há uma lente que espalha a luz produzida pelo chip e que é refletida para cima através da cavidade refletora.

  É válido lembrar que a cápsula do LED não interfere em nada na cor emitida pelo semicondutor! Alguns LED's utilizam uma cápsula plástica transparente, outros utilizam uma cápsula esverdeada (como o do diagrama acima), vermelha, rosa, azul, violeta, amarela, mas quem gera a cor do LED é o chip semicondutor!

  Nos LED's RGB (Red, Green, Blue - Vermelho, Verde, Azul) há três chips semicondutores, um para cada cor. Nos RGB também há 4 terminais, sendo que eles podem ter o cátodo ou o ânodo comum. Entenda melhor através imagem abaixo:

 

  Os primeiros LED's tinham um fluxo luminoso muito pequeno, mas durante sua evolução, a eficiência do LED aumentou muito, fazendo com que atualmente existam LED's com fluxo luminoso relativamente alto e que necessitam de uma corrente elétrica na casa de algumas dezenas de mA (miliAmperes), diferente de lâmpadas incandescentes, que necessitam de muita energia e desperdiçam boa parte dela em forma de calor.

  Para saber mais sobre eficiência de lâmpadas, fluxo luminoso, temperatura de cor, IRC e intensidade luminosa CLIQUE AQUI!

 

Mas o que faz um semicondutor emitir fótons de luz?

 

  O fenômeno de emissão de luz através de um semicondutor, chamado de eletroluminescência, foi observado no Silício e no Germânio mas, como foi dito acima, não se utiliza estes materiais para produzir LED's, isto por que a radiação eletromagnética emitida por eles é muito baixa, quase insignificante. Com a combinação de outros elementos para formar semicondutores propícios à emissão de luz visível, conseguiram criar várias cores diferentes e bem mais intensas.

  Devemos observar que, diferente de uma lâmpada incandescente, a luz emitida pelo LED é sintonizada, isto é, o semicondutor emite radiação eletromagnética apenas em uma determinada frequência, o que possibilitou a criação de LED's de várias cores, cada um utilizando um chip semicondutor com materiais diferentes. Fizemos o gráfico comparando a frequência de cada LED e a faixa de frequências de atuação da lâmpada incandescente:

  O LED se comporta da mesma forma que um diodo, já a lâmpada incandescente se comporta como um resistor, mas com carga resistiva não linear. Veja o gráfico abaixo com a curva característica do LED, da lâmpada e do resistor:

  Outra peculiaridade do LED é que os materiais empregados em sua construção requerem uma tensão de ruptura bem maior do que os 0,2 Volts do Germânio e os 0,7 Volts do Silício. Para um LED vermelho, a tensão necessária para emitir radiação fica em torno dos 1,6 V. Abaixo você vê um gráfico geral com o ponto em que a cor é produzida:

  Acima, mostramos valores de tensão média para LED's. Perceba que colocamos os valores de tensão mínimos para o Germânio (a linha cinza) e para o Silício (linha marrom). LED's de cor violeta possuem tensão de ruptura na faixa dos 4,5 Volts.

  Agora sim, se você leu o artigo sobre semicondutores, aqui no Hardware Central, podemos explicar o funcionamento do chip semicondutor do LED.

  Dois pedaços de material semicondutor, um do tipo P (Positivo) e outro do tipo N (Negativo) são "grudados" um no outro, como mostra a imagem abaixo: 

   O ponto em que é grudado o material N e o P é chamado de junção, e nesta área forma-se uma barreira de potencial. É próximo dessa área que os elétrons livres do polo negativo e as lacunas do polo positivo tendem a se atrair, fazendo com que, nessa área de junção, os elétrons livres do polo negativo preencham os espaços livres do polo positivo, e assim eles entram em equilíbrio.

  Para quebrar esta barreira, uma determinada tensão deve ser aplicada, forçando a circulação de elétrons entre o material N e o P. Esta tensão é chamada de "tensão de ruptura".

  No local da junção, uma mínima quantidade de radiação térmica é emitida (por mais "perfeito" que seja o LED, ele também produz calor!), juntamente com radiação eletromagnética, devido a colisão de átomos e o salto quântico ocorrido quando o chip semicondutor do LED é energizado. É por este motivo que o LED não suporta uma tensão reversa muito alta, isto é, ao ultrapassar a tensão de ruptura da junção P e N, o  semicondutor do LED é danificado permanentemente. A corrente aplicada também deve estar dentro do limite suportado pelo LED, pois caso seja aplicado uma corrente mais alta, vai haver uma sobrecarga que também vai danificar o semicondutor permanentemente, desta forma deve haver um resistor limitando a corrente que alimenta o(s) LED(s) do circuito.

  Para saber calcular o valor de resistência exato necessário para um LED funcionar, aconselho você a CLICAR AQUI. Este link apresenta um artigo com várias fórmulas matemáticas, incluindo as necessárias para o LED.

 

  Para saber mais sobre salto quântico e colisão dos átomos, aconselho você a ler os artigos sobre a lâmpada fluorescente, a lâmpada incandescente e os capítulos 01, 02 e 03 sobre eletrônica! Bons estudos!

 

  Apesar da maioria dos LED's serem super econômicos e não gerarem uma quantidade enorme de calor, existem LED's de alta potência, que geram muito calor e que necessitam de dissipadores e até mesmo ventoinhas para não queimarem!

 

  Os LED's infravermelho são produzidos até hoje e são utilizados em todos os controles remotos de TV! A luz infravermelha e ultravioleta não são visíveis a olho humano. Para ver a luz infravermelho podemos utilizar uma câmera qualquer! Veja abaixo o infravermelho de um controle remoto de TV filmado com a câmera de um smartphone:

  Mas por que a câmera do celular capta a luz infravermelha e o olho humano não?

  A câmera do celular possui uma matriz com sensores de imagem, estes sensores podem ser fotodiodos ou fototransistores, e eles são super sensíveis a radiação eletromagnética, captando ondas do espectro visível ao olho humano e também a parte do espectro que não é visível. 

  A cada vez que você aperta um botão no controle remoto, uma sequência de piscadas é emitida pelo LED infravermelho. Esta sequência representa o comando do botão que você apertou. Mas como que a câmera capta apenas uma piscada a cada vez que um botão é pressionado?

  A matriz de fotodiodos ou fototransistores é muito lenta se comparada com a rapidez que o LED infravermelho emite as piscadas. Câmeras em geral conseguem captar de 30 a 60 imagens por segundo, portanto apenas um feixe de luz vindo do LED é capturado pelo sensor de imagem ao apertar um botão do controle.

  Não podemos esquecer de mostrar os tipos de LED's existentes no mercado!

 > LED's difusos e opacos: A luz é distribuída em todo o encapsulamento plástico opaco do LED. Apesar da luz ficar difusa e dispersa, em alguns pontos do encapsulamento ela pode ficar mais forte ou mais fraca. Veja uma imagem dos LED's difusos abaixo:

 > LED's de alto brilho: Estes LED's possuem encapsulamento de plástico transparente e sem opacidade, independente da cor. A luz é focada apenas para uma direção e um determinado ângulo, fazendo com que o brilho fique mais forte. Veja uma imagem destes LED's abaixo:

 > Fitas de LED's / LED's SMD: São LED's em versões minúsculas, mas com o mesmo desempenho ou até mesmo um desempenho maior que os LED's comuns. Existem vários formatos de encapsulamento de LED's SMD e alguns deles podem ser vistos abaixo:

 > LED's bi-colores e tricolores (RGB): Estes LED's, como foi detalhado anteriormente, podem possuir o ânodo ou o cátodo em comum. Os bi-colores podem ter, normalmente, um chip Verde e um Vermelho para gerar luz, já os RGB utilizam as cores Verde, Vermelho e Azul. As cores podem ser combinadas para gerarem outras cores. Eles podem ser do tipo opaco ou de alto brilho.

 

 > Matriz de LED's: São quadros feitos de LED's organizados em linhas e colunas, feitos para trabalharem de forma individual, formando letras, números ou até mesmo imagens, ou de forma conjunta. Os LED's podem ser RGB também. Veja a imagem abaixo:

 > Displays de 7 segmentos: São display's com sete linhas dispostas de um jeito a formar letras e números. São usados em dispositivos mais comuns, onde a exibição de imagens não é necessária e a exibição de símbolos é simplificada.

  Existem também display's de LED's com 16 seguimentos, feitos para formarem números e letras maiúsculas e minúsculas. 

 

 > LED's de alta potência (HPLED's - High Power LED's): São LED's com uma potência (medida em Watts) muito maior do que os LED's comuns de forma a gerar mais luz. O consumo é maior e em vários casos é indicada a colocação de dissipadores para evitar superaquecimento. Estes LED's são agrupados em lâmpadas indicadas para iluminação de ambientes e lanternas de veículos. Já podemos ver nas ruas diversos modelos de carros, ônibus e caminhões que utilizam LED's.

 > LED's orgânicos: utilizados em SmartTV's atuais e também em smartphones, tablets, monitores de vídeo e notebooks. Você pode ver o funcionamento detalhado das telas OLED CLICANDO AQUI!

 > LED's Quânticos: São LED's que utilizam os famosos "cristais semicondutores" para a geração de luz. A principal vantagem desta tecnologia é gerar mais luz consumindo menos energia, ou seja, aumentar a eficiência dos aparelhos que possuem LED's. Os cristais quânticos estão sendo utilizados nas TV's QLED, produzidas principalmente pela Samsung Electronics. O detalhamento completo desta tecnologia vai acontecer em breve, em mais um artigo do HC sobre Óptica!

 

 Quanto ao tamanho, os LED's mais comuns são os de 3 mm, 5 mm, 8 mm e 10 mm, mas há vários outros tamanhos disponíveis no mercado. A durabilidade de um LED varia entre 25 mil e 100 mil horas, mas é claro, depende muito das condições do local onde este LED é exposto.

  Caso você saiba mais alguma coisa sobre o LED não deixe de entrar em contato conosco e compartilhar seu conhecimento!

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FONTES e CRÉDITOS

Imagens, texto e gráficos: Leonardo Ritter

Fontes: Ledvance; Philips; Canal ElectroLab; Instituto Newton C. Braga.

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