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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.


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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.


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• Alguns tipos de LEDs encontrados no mercado.


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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.


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.


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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.


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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.


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


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Projetor IND-50


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Luminária Slim LED


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Sistema Concept


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Luminária Riquadra


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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


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Bar Caminho Aventura Caxias do Sul - RS


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Capão da Canoa - RS Light Designer Joaquim Herrera


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Teatro Bourbon – Porto Alegre Arq. Cristina Maluf


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GNC Cinemas Camboriú - SC


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NH Hall – Espaço de Eventos Novo Hamburgo - RS


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Control Union São Paulo


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Casa Brasil 2007 Bento Gonçalves - RS


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Village Porto de Galinhas Porto de Galinhas - PE


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Feira Expolux – São Paulo Stand da Utiluz


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Feira Expolux – São Paulo Stand da Utiluz


Obrigado! Eng. João Tcacenco

www.utiluz.com

[email protected]

+55.54.3218.5200

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