Post on 11-Sep-2018
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O Chip LED e as Cores Obtidas
João Tcacenco é engenheiro de desenvolvimento de produtos e luminárias da
marca Utiluz, que utilizam LED. Experiência no desenvolvimento mecânico-
Eletro-Eletrônico.
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HÁ SOMENTE UM LUGAR EM QUE O “SUCESSO” VEM
ANTES DO “TRABALHO”
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NO DICIONÁRIO
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• O 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 que é LED? Como funciona?
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• 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 emissão ou não de luz.
• Na figura abaixo, temos a representação simbólica e esquemática de um
LED.
O que é LED? Como funciona? 6
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• O componente mais importante de um LED é o chip semicondutor
responsável pela geração de luz. Este chip tem dimensões muito
reduzidas, como pode ser verificado na figura abaixo , onde apresentamos
um LED convencional e seus componentes.
O que é LED? Como funciona? 7
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• Na figura abaixo, apresentamos um LED de potência, em que podemos
observar a maior complexidade nos componentes, a fim de garantir uma
melhor performance em aplicações que exigem maior confiabilidade e
eficiência.
O que é LED? Como funciona? 8
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• Alguns tipos de LEDs encontrados no mercado.
O que é LED? Como funciona? 9
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Alguns Fabricantes de LED 10
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• Apesar do LED ser um componente muito comentado hoje em dia, sua
invenção, por Nick Holonyac, aconteceu em 1963, somente na cor
vermelha, com baixa intensidade luminosa (1mcd). Por muito tempo, o LED
era utilizado somente para indicação de estado, ou seja, em rádios,
televisores e outros equipamentos, sinalizando se o aparelho estava ligado
ou não.
• O LED de cor amarela foi introduzido no final dos anos 60. Somente por
volta de 1975 surgiu o primeiro LED verde – com comprimento de onda ao
redor de 550 nm, o que é muito próximo do comprimento de onda do
amarelo, porém com intensidade um pouco maior, da ordem de algumas
dezenas de milicandelas.
• Durante os anos 80, com a introdução da tecnologia "AllnGaP", os LEDs
da cor vermelha e âmbar conseguiram atingir níveis de intensidade
luminosa que permitiram acelerar o processo de substituição de lâmpadas,
principalmente na indústria automotiva.
Histórico do LED 11
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• Entretanto, somente no início dos anos 90, com o surgimento da tecnologia
InGaN foi possível obter-se LEDs com comprimento de onda menores, nas
cores azul, verde e ciano, tecnologia esta que propiciou a obtenção do LED
branco, cobrinho, assim, todo o espectro de cores.
• Até então, todos estes LEDs apresentavam no máximo de 4.000 a 8.000
milicandelas, com um ângulo de emissão entre 8 a 30 graus. Foi quando,
no final dos anos 90, apareceu o primeiro LED de potência Luxeon, o qual
foi responsável por uma verdadeira revolução na tecnologia dos LEDs, pois
apresentava um fluxo luminoso ( não mais intensidade luminosa ) da
ordem de 30 a 40 lumens por watt, e com um ângulo de emissão de 110
graus.Hoje em dia, temos LEDs que atingem a marca de 180 lumens por
watt de fluxo luminoso, e com potência de 1,0 – 3,0 e 5,0 watts, disponíveis
em várias cores, responsáveis pelo aumento considerável na substituição
de alguns tipos de lâmpadas em várias aplicações de iluminação.
O que é LED? Como funciona? 12
Mescla das três cores básicas - RGB
Processo de adição das cores primárias •Vermelho + verde = amarelo •Verde + Azul = ciano •Azul + vermelho = magenta •Vermelho + Azul + Verde = branco
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Espectro Eletromagnético 14
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• A luz emitida pelos LEDs é fria devido a não presença de infravermelho no feixe luminoso. Entretando, os LEDs liberam a potência dissipada em forma de calor e este é um fator que deve ser levado em consideração quando do projeto de um dispositivo com LEDs, pois a não observância deste fato poderá levar o LED a uma degradação acentuada do seu fluxo luminoso, bem como redução da sua vida útil.
Os LEDs não emitem calor, mas geram calor 16
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• Na Figura 4 apresentamos uma ilustração de um LED convencional de 5 mm e
podemos observar que o caminho da potência dissipada em forma de calor é o
mesmo da corrente elétrica, e esta disposição é feita pela trilha de cobre da placa de
circuito impresso. Já na Figura 5, apresentamos um LED de potência com
encapsulamento, no qual podemos observar que os caminhos térmicos e elétricos
são separados e a retirada de calor é feita através do acoplamento de um dissipador
térmico à base do LED, garantindo, com isto, uma melhor dissipação.
Os LEDs não emitem calor, mas geram calor 17
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Custos de manutenção reduzidos: Em função de sua longa vida útil, a
manutenção é bem menor, representando menores custos.
Eficiência: Apresentam maior eficiência que as Lâmpadas incandescnetes e
halógenas e, hoje, ultrapassando e muito a eficiência das fluorescentes
(T5).
Baixa voltagem de operação: Não representa perigo para o instalador.
Resistência a impactos e vibrações: Utiliza tecnologia de estado sólido,
portanto, sem filamentos, vidros, etc, aumentando a sua robustez.
Benefícios de uso dos LEDs 18
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Controle dinâmico da cor: Com a utilização adequada, pode-se obter um
espectro variado de cores, incluindo várias tonalidades de branco,
permitindo um ajuste perfeito da temperatura de cor desejada.
Acionamento instantâneo: Tem acionamento instantâneo, mesmo quando
está operando em temperaturas baixas.
Controle de Intensidade variável: Seu fluxo luminoso é variável em função
da variação da corrente elétrica aplicada a ele, possibilitando, com isto, um
ajuste preciso da intensidade de luz da luminária.
Cores vivas e saturadas sem filtros: Emite comprimento de onda
monocromático, que significa emissão de luz na cor certa, ( veja espectro de
cores ) tornando-a mais viva e saturada. Os LEDs coloridos dispensam a
utilização de filtros que causam perda de intensidade e provocam uma
alteração na cor, principalmente em luminárias externas, em função da ação
da radiação ultravioleta do sol.
Benefícios de uso dos LEDs 19
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• Luz direta, aumento da eficiência do sistema: apesar de ainda
não ser a fonte luminosa mais eficiente, pode-se obter
luminárias com alta eficiência, em função da possibilidade de
direcionamento da luz emitida pelo LED.
• Ecologicamente correto: Não utiliza mercúrio ou qualquer outro
elemento que cause dano à natureza.
• Ausência de ultravioleta: Não emitem radiação ultravioleta
sendo ideais para aplicações onde este tipo de radiação é
indesejada. Ex.: Quadros – obras de arte, etc.
• Ausência de infravermelho: Também não emitem radiação infravermelho, fazendo com que o feixe luminoso seja frio.
Benefícios de uso dos LEDs 20
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• Com tecnologia adequada P.W.M, é possível a dimerização entre 0% e 100% de sua intensidade, e utilizando-se Controladores Colormix Microprocessados, obtém-se novas cores, oriundas das misturas das cores básicas. Que são: branco, azul, verde, amarelo, vermelho.
• Ao contrário das lâmpadas fluorescentes que tem um maior desgaste da sua vida útil no momento em que são ligadas, nos LEDs é possível o acendimento e apagamento rapidamente possibilitando o efeito “flash”, sem detrimento da vida útil.
• Maior vida útil: Dependendo da aplicação, a vida útil do equipamento é longa, sem necessidade de troca. Considera-se como vida útil uma manutenção mínima de luz igual a 70%, após 50.000 horas de uso.
Benefícios de uso dos LEDs 21
O Chip do LED e as cores Obtidas
• O chip do LED é composto por materiais semicondutores, que recebem dopagem de outros componentes químicos.
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Composto Químico Fórmula Química
Comprimento de Onda Máximo
Coloração
Arsenieto de Gálio GaAs 870 nm IR
Fosfato de Índio InP 930 nm IR
Fosfato Arsenieto de Índio-Gálio InGaAsP 1100-1670 nm IR
Fosfeto de Alumínio-Gálio-Índio AlGaInP 590-605-615-626 nm Vermelho, laranja, âmbar, verde
Fosfeto de Gálio GaP 550 nm Verde
Arsenieto de Alumínio AIAs 590 nm Verde
Arsenieto de Alumínio-Gálio AIGaAs 770-870 nm Vermelho e IR
Fosforeto de Alumínio-Gálio AlGaP 560nm Verde
Nitrito de Gálio-Índio InGan 450-498-505-525 nm Verde, Azul
Carboneto de Silício SiC 450 nm Azul
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• Voltagem obtida como queda de tensão em cada chip. Quando aplicada uma corrente contínua.
A potência dissipada no LED em forma de calor, é maior nos LEDs azul, branco e verde.
COR TENSÃO E2 VERMELHO 1,8-2,0
LARANJA 1,9-2,1
AMBAR 2,0-2,2
VERDE 2,2-2,5
AZUL 3,2-3,5
BRANCO 3,2-3,5
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R = E1 – E2 ______ I
Wtotal = E1 x E2 WLED = E2 x I
Fluxo Luminoso X Corrente de Alimentação
O fluxo luminoso em lúmens, não segue uma reta linear, ou seja, dobrando-se a corrente NÃO obtemos o dobro do fluxo luminoso.
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Queda de tensão X Corrente no LED
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Influência da Temperatura de Junção, e o Fluxo Luminoso em LEDs de Várias Cores
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Desvio no comprimento de onda (cor) e na intensidade relativa e variando a temperatura de junção ( LED vermelho)
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Como Obter LED Branco
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ÓTICA
Uma das grandes vantagens do uso dos LEDs é a facilidade e a diversidade de opções de direcionamento da sua luz.
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Ótica Primária: É aquela que está inserida no LED, através do seu difusor translúcido que pode ser de resina acrílica ou de resinas de silicone. Esta ótica não podemos mudar, porque faz parte da construção do LED.
Ótica Secundária: É aquela que é adicionada sobre o LED, com o objetivo de direcionar a sua luz, através de lentes que podem ser colimadoras ou refletivas.
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Lentes Colimadoras Normalmente feitas em materiais translúcidos chamados “extra
clear” e que podem ser de acrílico, policarbonato, silicone ou vidro cristal.
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Lentes Refletivas Normalmente feitas em materiais plásticos injetados, como ABS,
com acabamento metalizado alto brilho, ou então em alumínio polido alto brilho.
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Considerações Térmicas e Vida Útil
A vida útil de um LED está intimamente ligada a temperatura de trabalho deste, mais especificamente a temperatura da junção onde ocorre a emissão de luz no chip; e é inversamente proporcional ou seja, quanto mais quente menos dura.
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Temperatura Correlata de Cor – T.C.C.
Um corpo negro “teórico”, quando aquecido a altas temperaturas, emite luz.
Ex: “FERRO FUNDIDO” sendo fundido a 1350°C ± 1600°k
(corpo negro) (emissor de luz)
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Esta emissão de luz inicia-se em torno de ±900k (±650°C) quando a emissão é vermelho rubro e pode ir até 40.000k. Quando a emissão é igual a das estrelas.
Lord Kelvin, em 1848, propôs uma escala de temperatura, chamada escala kelvin, onde o valor zero corresponde a -273,15°C (Zero absoluto).
Zero Absoluto
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Temperatura Fonte de Luz
25.000K Céu de dia no pólo Norte
6.500 a 7.500K Céu encoberto
5.500 a 6.000K Luz do sol durante a maior parte do dia
4.500K Lâmpada fluorescente do tipo "branca fria"
3.500K Lâmpada fluorescente do tipo "branca quente"
3.200K Nascer/Pôr do Sol
2.680K Lâmpada incandescente comum (tungstênio) de 40W
2.000K Lâmpada de vapor de sódio (iluminação pública)
1.700K Candeeiro/ Luz de vela
1.200K Luz do fogo
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T.C.C. – Temperatura Correlata de Cor para os LEDs Brancos
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Eficiência Luminosa X Vida Útil X Custo A eficiência dos LEDs tem aumentado consideravelmente nos
últimos anos. Depois do surgimento dos LEDs brancos, que se destinam a iluminação “funcional”, foram dadas pelos fabricantes dos chips LED, maiores atenções neste ítem.
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O aumento da vida útil em milhares de horas, o aumento da eficiência em lm/w, bem como a redução do custo em U$/lúmen, estes fatores fazem do LED na cor branca o mais forte candidato para assumir a liderança mundial na iluminação funcional.
Composição do Custo de um Projetor a LED
BIG BOY 600 – 90W 5 ANOS ANTES ATUAL
Carcaça – Perfil de alumínio/Fundido Injetado 15% 17%
Difusor – Vidro Temperado ou Acrílico 3% 4%
Cabeceiras + Suporte –(CIMP-MC) 18% 23%
LEDS 35% 22%
Lentes 20% 23%
Driver + Eletrônica 9% 11 %
Tabela meramente ilustrativa
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Valores Meramente Ilustrativos
Como Acender um LED
O LED por ser um semicondutor tipo diodo, conduz a corrente elétrica em um sentido, e bloqueando-a em um sentido inverso. Por este motivo, deve ser sempre ligado a uma fonte de corrente contínua proveniente de baterias ou retificadores, podendo os mesmos serem ligados entre si, em série, em paralelo ou ainda circuitos mistos.
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As correntes nos LEDs podem variar desde poucos miliampères até vários amperes dependendo da sua potência.
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Driver para LEDs de Alta Potência
Quando se trata de projetores e luminárias de alta potência, de 25 Watts até 200Watts, é necessária a utilização de drivers de alta potência, com alto fator de potência Cosϕ≥0,92, alto rendimento ≥85%, baixa distorção harmônica T.H.D. ≤10% e que mantenham a corrente constante no LED.
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Sistemas de Controle das Cores
Quando se tem projetores com LEDs coloridos, RGB é necessário fazer a mixagem entre as três cores para se obter as mais variadas combinações.
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Controle “Colormix” Manual/Automático
Neste sistema é possível dimerizar cada uma das três cores – RGB, desde valores de 0% até 100% onde a troca de cores é “manual” ou então no “automático” onde as cores ficam trocando continuamente.
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Controle Colormix DMX 512
Quando se deseja fazer efeitos especiais nas cores, deve-se utilizar um comando Colormix DMX que é mais complexo.
Neste caso, cada um dos projetores podem ser regulados separadamente pois são endereçáveis, cada um possui um endereço para cada cor.
Assim sendo, cada cor, em cada projetor pode estar numa sequência independente de trocas. Utiliza-se para isto uma mesa de comando DMX que é de baixo custo e de fácil manuseio.
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Exemplos de Produtos
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Luminária Dual Mix
Exemplos de Produtos
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Projetor IND-50
Exemplos de Produtos
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Luminária Slim LED
Exemplos de Produtos
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Sistema Concept
Exemplos de Produtos
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Luminária Riquadra
Exemplos de Produtos
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Projetor Big Boy
Exemplos de Aplicações
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Batalhão da Marinha do Brasil – RJ Arq. Joana Marcier
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Boate Blue Up – Caxias do Sul - RS Arq. Mirian Fonseca
Exemplos de Aplicações
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Bar Caminho Aventura Caxias do Sul - RS
Exemplos de Aplicações
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Capão da Canoa - RS Light Designer Joaquim Herrera
Exemplos de Aplicações
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Capão da Canoa - RS Light Designer Joaquim Herrera
Exemplos de Aplicações
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Capão da Canoa - RS Light Designer Joaquim Herrera
Exemplos de Aplicações
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Teatro Bourbon – Porto Alegre Arq. Cristina Maluf
Exemplos de Aplicações
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GNC Cinemas Camboriú - SC
Exemplos de Aplicações
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NH Hall – Espaço de Eventos Novo Hamburgo - RS
Exemplos de Aplicações
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Control Union São Paulo
Exemplos de Aplicações
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Casa Brasil 2007 Bento Gonçalves - RS
Exemplos de Aplicações
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Exemplos de Aplicações
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Exemplos de Aplicações
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Village Porto de Galinhas Porto de Galinhas - PE
Exemplos de Aplicações
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Feira Expolux – São Paulo Stand da Utiluz
Exemplos de Aplicações
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Feira Expolux – São Paulo Stand da Utiluz
Exemplos de Aplicações
Obrigado! Eng. João Tcacenco
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