Semicondutores: - LEDs

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Semicondutores: - LEDs

  1. 1. Semicondutores: - LED Diodos Emissores de Luz 16-10-13 Por : Luís Timóteo 1
  2. 2. Semicondutores: - LED A Luz  O Espectro Electromagnético 16-10-13 Por : Luís Timóteo 2
  3. 3. Semicondutores: - LED A Luz  A luz visível Raios Gama Raios X Ultra-Violetas Infra-vermelhos Micro-Ondas Ondas Rádio Luz Visível Azul Verde Vermelho Ondas curtas. Alta Frequência. Alta energia. Ondas longas. Baixa Frequência. Baixa energia. De acordo com a teoria de Planck, a luz é constituída por partículas chamadas FOTÕES. O fotão é um pequeno pacote de ondas electromagnéticas. A energia do Fotão está relacionada com a frequência das ondas electromagnéticas  ν : EPH = h ν h é a constante de Planck, h = 6.626 x 10-34 J-s 16-10-13 Por : Luís Timóteo 3
  4. 4. Semicondutores: - LED A Luz PRODUÇÃO DE LUZ Termoradiação Descarga no seio de um gás Radiação de um corpo sólido natural Combustão Incandescência Luminescência artificial Chama 16-10-13 Lâmpada de vapor metálico Substâncias luminescentes Lampião de gás Lâmpada incandescente Placas de sinalização rodoviária Por : Luís Timóteo 4
  5. 5. Semicondutores: - LED A Luz  Luminescência A luminescência, é a emissão de luz por uma substância quando submetida a algum tipo de estímulo, como luz, reação química, ou radiação ionizante, mas que não a temperatura (a emissão de luz causada por aumento da temperatura é chamada incandescência). Uma partícula excitada (átomo ou molécula) só pode perder a sua energia extra, de poucas maneiras: Diagrama Gerando calor. de energia Transferindo a energia para uma outra partícula. Ruptura.  Luminescência: Emitindo luz. 16-10-13 Por : Luís Timóteo Estado excitado Estado Normal 5
  6. 6. Semicondutores: - LED A Luz  Luminescência Tipos de luminescência por Mecanismo: Fluorescência: é um tipo de luminescência que é resultado da recombinação muito rápido (micros segundos) de excitações simples. Ela desaparece rapidamente quando a fonte de excitação (luz ou da corrente eléctrica) é removida. Os seus electrões são promovidos de um nível de energia inferior para um nível mais externo , onde dizemos que o electrão se encontra em estado excitado. Ao retornar ao seu nível fundamental de energia o electrão emite a energia absorvida na forma de radiação visível. Assim, o fenómeno da fluorescência só perdura enquanto existir uma fonte de radiação. No caso da lâmpada fluorescente , há emissão de luz enquanto a tomada estiver ligada pois a corrente eléctrica é a fonte de energia e o material utilizado para recobrir o interior do tubo de vidro é o fósforo, responsável pela absorção da radiação ultravioleta emitida pelo mercúrio no interior do tubo e emissão da luz visível branca. Fosforescência: é a capacidade que uma espécie química tem de emitir luz, mesmo no Fosforescência escuro. Quando o material é exposto a luz ,devido a uma configuração especial de seus electrões, eles absorvem a energia da luz visível ou luz ultravioleta, os electrões dos átomos se excitam migrando para níveis de energia mais afastados do núcleo. Retirado a exposição à radiação, os electrões retornam lentamente aos níveis mais internos emitindo luz, fenómeno denominado fosforescência. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 6
  7. 7. Semicondutores: - LED A Luz  Luminescência O fenómeno dividem-se em duas categorias:  A fluorescência é uma fotoluminescência que cessa no mesmo instante que a acção das radiações excitadoras. Fluorescência Fosforescência  Emprega-se o termo fosforescência quando ocorre emissão retardada de luz ou brilho residual. São substâncias fosforescentes os sulfatos alcalinos e alcalino-terrosos e o sulfato de zinco. Essa distinção, no entanto, é imprecisa, já que depende da acuidade do detector utilizado, seja ele o olho humano ou um aparelho. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 7
  8. 8. Semicondutores: - LED A Luz  Diferentes tipos de Luminescência  Fotoluminescência: é um processo no qual uma substância absorve fotões e, em seguida, re-irradia fotões.  Electroluminescência: fenómeno óptico e eléctrico durante o qual um material emite luz em resposta a uma corrente eléctrica que o atravessa, ou a um forte campo eléctrico  Catodoluminescência: produzida por um bombardeio electrónico (utilizada no osciloscópio catódico.  Quimioluminescência: que acompanha certas reacções químicas. Outros mecanismos Radioluminescência: excitação por radiação (alfa, beta). Sonoluminescência: excitação por som (colapso de uma bolha). Bioluminescência: excitação por actividades celulares. Triboluminescência: excitação por quebra das ligações de um material. Na era da iluminação eléctrica, os mecanismos dominantes são a fotoluminescência e a electroluminiscência. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 8
  9. 9. Semicondutores: - LED A Luz  Diferentes tipos de Luminescência  Fotoluminescência Fotoluminescência: parte da luz que incide na matéria reflecte-se e outra parte absorvese. A luz irradiada por fotoluminescência tem, em regra, um comprimento de onda maior do que a luz que causou a luminescência, produzindo um dos dois tipos de fenómenos ópticos: fluorescência ou fosforescência. fosforescência Fluorescência A espécie emissora está excitada por fotões de alta energia. Fósforo Luz branca. Usa fósforos de terras-raras: E.g., Tb, Ce:LaPO4 , Eu:Y2 O3 Tb Ce Eu Lâmpada Fluorescente Fosforescência. Fosforescência 16-10-13 Por : Luís Timóteo 9
  10. 10. Semicondutores: - LED A Luz  Diferentes tipos de Luminescência  Fotoluminescência Elementos de terras-raras Terras Raras  As terras-raras são um grupo selecto de 17 elementos químicos de relativa abundância na crosta terrestre (com concentração variando entre 68ppm para o Cério e 0,5ppm para o Túlio e lutécio) considerados raros pela dificuldade da sua separação (já que ocorrem em vários minérios de composições distintas). Apenas o lantânio, que é muito instável, não é visto nestas terras – embora se classifique como tal. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 10
  11. 11. Semicondutores: - LED A Luz  Diferentes tipos de Luminescência  Eletroluminescência Electroluminescência: fenómeno óptico e eléctrico durante o qual um material emite luz em resposta a uma corrente eléctrica que o atravessa, ou a um forte campo eléctrico. LED de conversão a fósforo LED de junção PN LED de alto brilho actual Blue LED + yellow-green phosphor ( Ce:Y3 Al5 O12 ) OLED 16-10-13 Por : Luís Timóteo 11
  12. 12. Semicondutores: - LED A Luz  Diferentes tipos de Luminescência  Catodoluminescência: A catodoluminescência: ocorre quando a energia excitadora provém dos Electrões (bombardeamento de electrões). Nesta técnica utiliza-se um cátodo de uma válvula Electrónica ou de um rectificador de vazio que, ao ser aquecido pela passagem de uma corrente eléctrica, é excitado emitindo Electrões. Os cátodos incandescentes são geralmente tubos de metal revestidos com óxido de bário e são conduzidos à incandescência através de um filamento resistivo localizado no seu interior. RGB phosphors: Y2 O2 S:Eu+Fe2 O3 ZnS:Cu,Al ZnS:Ag+Co-on-Al2 O3 16-10-13 Por : Luís Timóteo 12
  13. 13. Semicondutores: - LED A Luz  Diferentes tipos de Luminescência  Quimioluminescência: Quimioluminescência: é a emissão de luz, não acompanhada da emissão de calor, em consequência de uma reacção química.  Bioluminescência: Bioluminescência: é o processo de emissão de luz fria e visível por organismos vivos com função de comunicação biológica. A produção da luminescência ocorre por meio de uma reacção química altamente exotérmica em que a oxidação de uma molécula orgânica chamada de luciferina libera energia na forma de luz visível. Essa reacção é catalisada por enzimas com alto ΦQL chamadas de luciferases. Trata-se de uma forma de ocorrência natural de quimioluminescência, em que a energia resultante de uma reacção química é lançada sob a forma de emissão de luz. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 13
  14. 14. Semicondutores: - LED LEDs Historial O primeiro LED prático visível no espectro luminoso (vermelho) foi desenvolvido em 1962 por Nick Holonyak Jr., enquanto trabalhava na General Electric Company. Holonyak relatou pela primeira vez esta descoberta na revista Applied Physics Letters, em 1 de Dezembro de 1962. Holonyak é visto como o "pai do diodo emissor de luz". M. George Craford, um ex-aluno de pós-graduação de Holonyak, inventou o primeiro LED amarelo e melhorou o brilho dos LEDs vermelho e vermelho-alaranjado por um factor de dez, em 1972. Em 1976, T.P. Pearsall criou os primeiros LEDs de alto brilho, alta eficiência para telecomunicações de fibra óptica, inventando novos materiais semicondutores especificamente adaptados para comprimentos de onda para transmissão de fibra óptica. O primeiro LED azul de alto brilho, foi demonstrado por Shuji Nakamura da Nichia Corporação em 1994 e foi baseado em InGaN. O seu desenvolvimento construído sobre a evolução crítica de nucleação de GaN em substratos de safira e a demonstração de GaN dopado do tipo-p desenvolvidos por Isamu Akasaki e H. Amano em Nagoya. A existência de LEDs azuis e LEDs de alta eficiência, rapidamente levou ao desenvolvimento do primeiro LED branco, o qual empregou um Y3Al5O12:Ce, ou "YAG", revestimento de fósforo para misturar com luz amarela convertida com azul para produzir uma luz que parece branca . Nakamura foi agraciado com o Millennium Technology Prize 2006, por sua invenção. http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode 16-10-13 Por : Luís Timóteo 14
  15. 15. Semicondutores: - LED A Luz Luz visível Níveis de Energia Os electrões circulam á volta do núcleo em órbitas fixas: Existem muitas teorias sobre órbitas de electrões, mas para entender a luz temos que conhecer apenas uma regra: um electrão ocupa uma órbita natural, mas se se aplicar energia ao átomo, ele pode saltar para órbitas superiores. Um fotão de luz é produzido sempre que um electrão que está numa órbita superior do que a normal, volta para sua órbita. Durante a queda da órbita superior para a normal, o electrão cede energia sob a forma de um fotão (um pacote de energia) com características bastante específicas. O fotão tem uma frequência ou cor que está exactamente de acordo com a distância que o electrão decai. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 15
  16. 16. Semicondutores: - LED A Luz Luz visível Níveis de Energia 3º Nível de Energia 2º Nível de Energia Absorção de Energia 1º Nível de Energia Cedência de Energia Núcleo 16-10-13 Por : Luís Timóteo 16
  17. 17. Semicondutores: - LED A Luz Luz visível Níveis de Energia Bandas de Energia dos Semicondutores: Banda de Condução, Banda de Valência… Relaxação após Átomo Simples: Excitação térmica ou excitação térmica ou óptica óptica.. E E = Energia necessária para excitar o electrão a saltar para uma órbita superior. 16-10-13 O Electrão regressa á órbita anterior e emite um fotão com a energia E. Por : Luís Timóteo 17
  18. 18. Semicondutores: - LED A Luz Luz visível Níveis de Energia: - Num cristal semicondutor    No átomo as orbitas sucedem-se uma ás outras formando BANDAS. A Banda mais baixa torna-se a BANDA DE VALÊNCIA. A órbita mais alta torna-se a BANDA DE CONDUÇÃO, Geração Recombinação Emissão de Fotão: E = h ν = Εg E Cristal Semicondutor Electrões excitados podem mover-se (Electrões livres). Átomo Simples Electrões excitados não podem mover-se. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 18
  19. 19. Semicondutores: - LED A Luz Luz visível Níveis de Energia: - Num cristal semicondutor Electrão livre Banda de Condução Banda de Valência Lacuna livre  O Nível mínimo de energia necessária para ionizar um electrão ( salto de um nível para outro) é chamada de: Energia de ionização EG. Emissão de Fotões EPH = Ε G  Como resultado da recombinação (electrão – lacuna), o electrão emite um fotão com uma energia aproximadamente igual á energia do salto de entre os níveis do semicondutor. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 19
  20. 20. Semicondutores: - LED A Luz Luz visível Níveis de Energia: - Energia do Fotão  Comprimento de onda – Cor da Luz c λ= ν EPH = h ν c ν= λ h = 6.626 x 10-34 J-s c=3 x 108 m/s é a velocidade da Luz. v=Frequência (Hz) E PH 1.9878 x10 -25 [J] = λ [m] Joules não é uma boa unidade de medida da energia do fotão; Metros também não o é, para medir o comprimento de onda… 16-10-13 Por : Luís Timóteo 20
  21. 21. Semicondutores: - LED A Luz Energia do fotão “Electrão – Volt” – Unidade de energia na electrónica quântica: 1 eV = 1.6 x 10-19 Joules. Micrometros – Unidade conveniente para medir comprimento de onda. λ [m] = λ [µm] x 10-6 Substituindo na expressão da energia do Fotão EPH, vem: EPH 16-10-13 1.24 [eV] = λ [μμm Por : Luís Timóteo 21
  22. 22. Semicondutores: - LED A Luz Emissão de Fotões ❶ A excitação dum átomo através de energia… ❷ Causa um electrão saltar para um nível de energia superior…  O electrão regressa de novo á sua órbita, libertando energia sob a forma de fotão …Luz… 16-10-13 Por : Luís Timóteo 22
  23. 23. Semicondutores: - LED A Luz Emissão de Fotões 16-10-13 Por : Luís Timóteo 23
  24. 24. Semicondutores: - LED LED O que é um LED?  Um diodo emissor de luz (LED) é essencialmente uma junção PN de opto-semicondutor, que emite uma luz monocromática (uma única cor) quando devidamente polarizado de forma directa. Símbolo:  Os LEDs convertem energia eléctrica em energia luminosa (Electroluminiscência). Eles são frequentemente usados como luzes de "piloto" em aparelhos ​ electrónicos para indicar se o circuito está ligado ou não, como indicadores… e muito mais… e mais recentemente em iluminação. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 24
  25. 25. Semicondutores: - LED LED A cor A cor da luz emitida por um LED não é determinada pela coloração do corpo de plástico do LED, embora estes sejam ligeiramente corados para aprimorar ainda mais a saída de luz, e para indicar sua cor quando não está sendo iluminado. Como diodos de junção PN convencionais, os LEDs são dispositivos dependentes de corrente, com sua queda de tensão directa VF, dependendo do composto semicondutor (sua cor). O ponto onde se inicia a condução a luz é produzida é a cerca 1.2V para um LED padrão vermelho, e a cerca 3.6V para um LED azul. Antes de um diodo emissor de luz poder "emitir" qualquer forma de luz, precisa que uma corrente flua através dele, pois é um dispositivo dependente de corrente, pelo que a intensidade da luz da saída é directamente proporcional á corrente que flui através do LED. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 25
  26. 26. Semicondutores: - LED LED Emissão de Fotões O LED produz luz pela combinação de cargas positivas e Negativas num cristal de Indium-Gallium-Nitride (InGaN). Camada tipo P Lacuna (Buraco) Camada Activa (Bandgap) Fotão Camada tipo N Subtracto de suporte Electrão Os fotões emitidos não têm todos a mesma direcção e a mesma fase… “Luz incoerente”!... incoerente 16-10-13 Por : Luís Timóteo 26
  27. 27. Semicondutores: - LED LED LUZ Emissão de Fotões P N Junção P-n Camada Activa Calor Camada barreira A tensão de polarização directa, faz com que os electrões e os buracos que entram na junção p-n se recombinem. Alternativamente, podemos dizer que a energia externa fornecida, excita os electrões na banda de condução. De lá, eles caem para a banda de valência e se recombinam com os buracos libertando energia sob a forma de fotões… A cor da luz (λ),depende do material semicondutor e da sua “Banda Proibida” (BandGap). Quanto maior Bandgap menor comprimento de onda (λ) da luz emitida. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 27
  28. 28. Semicondutores: - LED LED Emissão de Fotões Ao ser aplicada uma tensão que polariza directamente o LED, ocorre que muitos electrões não têm a energia suficiente para passarem da banda de valência para a banda de condução, ficando na zona interdita ou proibida. Como não podem permanecer nessa zona voltam à banda de valência tendo para esse efeito de perder energia, o que fazem emitindo luz (fotões). Banda de condução Energia Nível de Fermi Electrão Banda Proibida Electrão Banda de condução Luz Banda proibida Lacuna Banda de valência 16-10-13 Por : Luís Timóteo Banda de valência 28
  29. 29. Semicondutores: - LED LED Emissão de Fotões Energia do electrão Ec EF Ev p n+ p Eg n + eVo Eg Ec EF eVo Ev Distância interna Electrão na BC Lacuna na BV hυ ­ Eg V  Diagrama das bandas de energia da junção (homojunção) p-n+ (altamente dopado com n- ). Sem qualquer polarização o potencial de barreira Vo impede os electrões de se movimentarem na parte superior n+.  Ao ser aplicada uma polarização, Vo é reduzida, permitindo os electrões, serem injectados na zona p-. Recombinações electrão lacuna (buraco), acontecem na zona de difusão entre a junção (activa-zona proibida..), produzindo emissão de fotões. © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) 16-10-13 Por : Luís Timóteo 29
  30. 30. Semicondutores: - LED LED Emissão de Fotões Semicondutores de Banda Directa (GaAs) Vazios BC eEg ᴪk e- EC hV EV BV h+ Ocupados ᴪk h+ Os semicondutores de Banda Proibida Directa (Direct Bandgap), são os candidatos de primeira escolha para dispositivos emissores de luz. BANDA PROIBIDA (Bandgap)- É a diferença de energia (em eV) entre o nível do topo da BANDA DE VALÊNCIA (BV) e o nível mais baixo da BANDA DE CONDUÇÃO (BC), nos isoladores e nos semicondutores. © 1999 S.O. Kasap, Optoekctronics (Prentice Hall) 16-10-13 Por : Luís Timóteo 30
  31. 31. Semicondutores: - LED LED Emissão de Fotões Semicondutores de Bandgap Indirecta (Si, Ge) Em semicondutores de bandgap directa, como o Arseneto de Gálio (GaAs), a banda proibida é menor quando o vector - k é zero. Este é o lugar onde a transição entre e banda valência e a banda de condução ocorrerá, e que dará lugar á emissão de um fotão emissão espontânea, índices baixos de energia aplicados Mas para semicondutores de bandgap indirecta mais ampla, como é o caso do Silício e do Germânio, a energia mínima da banda de condução pode ocorrer, num ponto em que o vector de k não é igual a zero, e então não produziriam fotões mas sim fonões que em vez de luz produzem calor. Mas através de dopagem quântica, é criado um “centro de recombinação”, onde um fonão dá origem a um electrão de alta energia que se combina depois com uma lacuna ou buraco, produzido luz LED ou laser de alta intensidade. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 31
  32. 32. Semicondutores: - LED LED Emissão de Fotões Princípio de funcionamento …Essa energia é libertada sob a Quando um circulam a Luz. Os de a um forma buracos corrente decircula A fotão através energia mais electrões nível de da “queda” baixo do amplitude do diodo, os do electrão, de carga nível de energia que os electrões livres, determina onegativa, movem-se do num sentido enquanto que os portanto quando os determina fotão, que por sua vez electrões a buracosnesse nível, de “queda” ou lacunas perdem caiem cor da luz. Uma maior carga positiva fotão com sentido energia… produz umse movem nomaior nível deoposto. energia, a que corresponderá uma luz com frequência mais elevada. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 32
  33. 33. Semicondutores: - LED LED Funcionamento http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/tutorials/leddiagram/leddiagram.swf 16-10-13 Por : Luís Timóteo 33
  34. 34. Semicondutores: - LED LED Funcionamento 16-10-13 Por : Luís Timóteo 34
  35. 35. Semicondutores: - LED LED Tipos Illuminator Indicator LED indicador tradicional 16-10-13 LED de Iluminação Por : Luís Timóteo 35
  36. 36. Semicondutores: - LED LED – “Indicator” Lente (epoxy) Estrutura interna do LED Copo Reflector Terminal positivo Junção Tipo-P Tipo-N Terminal negativo Fotão Buraco Electrão Terminal Negativo Copo Reflector 16-10-13 Por : Luís Timóteo 36
  37. 37. Semicondutores: - LED LED – “Indicator” Estrutura interna do LED O Chip (die) (área activa do LED) está encapsulado num invólucro de plástico ou de cerâmica, que pode conter um ou mais chips. Terminal Positivo Luz emitida Terminal Negativo Lente (epoxy) Copo Reflector GaN Tipo P Região activa GaN Tipo N Ligação ao Ânodo Fotão Buraco Ânodo (+) 16-10-13 Electrão Cátodo (-) Por : Luís Timóteo 37
  38. 38. Semicondutores: - LED LED – “Illuminator” Estrutura interna do LED para Iluminação O termo SSL (Solid State Lighting), é um termo comum usado na tecnologia LED para aplicações de iluminação. Refere-se a uma tecnologia em que a luz é emitida por electroluminiscência de dispositivos do estado sólido, contrapondo ás lâmpadas de filamentos (que usam irradiação térmica). Lente Cátodo Base de Silício LED Chip Calor Invólucro Exterior 16-10-13 Dissipador Térmico Fio de ligação Por : Luís Timóteo Phillips Lumiled Luxeon K2s 38
  39. 39. Semicondutores: - LED LEDs Breve história da Iluminação…. 1901 Fluorescen t 1919 1879 Tube Sodium Edison Vapor Light Lamp Bulb U.S. 223,898 1970s First Red LED 2000 2009 White LED Lamp Production White demonstrates LED Lamp Incandescent Exceeds 100 Efficacy (17 lm/W) 2005 lm/W 1995 White LED Lamp “High demonstrates Brightness” Fluorescent Blue, Green Efficacy (70 lm/W) LEDs ~1990 “High Brightness” Red, Orange, Yellow, & Green LEDs Calculators and Indicators Monochrome signs Full Color Signs Solid State Lighting  A tecnologia actual de iluminação tem mais de 120 anos.  LEDs começaram como indicadores, mas agora estão prestes a se tornarem a fonte de luz mais eficiente jamais criada!... 16-10-13 Por : Luís Timóteo 39
  40. 40. Semicondutores: - LED LEDs Extracção de Luz Lei de Snell : n1 sin θ 2 = n2 sin θ 2  nt sin90°   θC = Arcsin   ni    A Luz não pode escapar para ângulos maiores que ϴc . θc  ϴc define um ângulo sólido = projecção da área de superfície: Ω=2π(1-cosϴ) 16-10-13 Por : Luís Timóteo 40
  41. 41. Semicondutores: - LED LEDs Comprimento de onda e a Cor. O primeiro LED comercial, foi o Led encarnado (R), mas para iluminação, temos que ter as 3 cores básicas das Luz – RGB. Só em 1995, o engenheiro Nakamura, nos laboratórios da Nichia Chemical Industries, desenvolveu de forma eficiente, os LEDs Azul (B) e o Verde (G) a partir de heteroestruturas de GaN, que veio possibilitar a construção de LEDs de luz branca. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 41
  42. 42. Semicondutores: - LED LEDs Comprimento de onda e a Cor. Os diferentes elementos da tabela periódica (III-V) usados como semicondutores (Ex. Ga, As, In). Com a junção polarizada directamente emitem fotões de diferentes comprimentos de onda… 16-10-13 Por : Luís Timóteo 42
  43. 43. Semicondutores: - LED LEDs Comprimento de onda e a Cor. O comprimento de onda, e portanto a cor, depende do espaçamento entre as bandas do material semicondutor. Encarnado: GaAlAs Azul: InGaN UV: InGaAs UV 16-10-13 Por : Luís Timóteo 43
  44. 44. Semicondutores: - LED LEDs Comprimento de onda e a Cor. LEDs – Variação das Cores Combinações de materiais Light Emitting Diode Color Variations Color Name Semiconductor Composition Infrared 880 GaAlAs/GaAs Ultra Red 660 GaAlAs/GaAlAs Super Red Super Orange Orange Yellow Incandescent White Pale White Cool White Pure Green Super Blue Blue Violet Ultraviolet 16-10-13 Wavelength (Nanometers) 633 612 605 585 AlGaInP AlGaInP GaAsP/GaP GaAsP/GaP 4500K (CT) InGaN/SiC 6500K (CT) 8000K (CT) 555 470 430 395 InGaN/SiC InGaN/SiC GaP/GaP GaN/SiC GaN/SiC InGaN/SiC Por : Luís Timóteo 44
  45. 45. Semicondutores: - LED LEDs Comprimento de onda e a Cor. Sensibilidade da visão humana ás cores GaAs.6p4 GaP:N ZnSe GaN 10-2 GaAs.14p86 10-1 GaAs.35p65 100 10-3 10-4 violet 350 400 blue 450 green 500 550 yellow orange 600 650 700 red 750 Comprimento de onda em nanometros Os materiais mais importantes que são utilizados para diodos emissores de luz (LEDs), para cada uma das diferentes regiões espectrais. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 45
  46. 46. Semicondutores: - LED LEDs LED branco Espectro do LED  Os LEDs brancos têm uma grande componente Azul, devido á maneira como são construídos. LED Azul circundado por fósforo Amarelo. Luminescência 16-10-13 Fosforescência Por : Luís Timóteo 46
  47. 47. Semicondutores: - LED LEDs LED branco Benefícios da luz Natural…  A luz solar excita todos os três tipos de cones no olho humano…(Cones são as células sensíveis à cor)… No entanto são mais sensíveis ao verde e amarelo. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 47
  48. 48. Semicondutores: - LED LEDs LED branco As fontes artificiais de luz têm falta de Azul…  A pupila permanece mais aberta, perdendo percepção em profundidade e detalhe… 16-10-13 Por : Luís Timóteo 48
  49. 49. Semicondutores: - LED LEDs LED branco GaN+GaP = GaAs (1+x)Px Transição do bandgap correspondente ao λ de próximo IR até laranjavermelho, parte do espectro visível. Resposta espectral do olho humano.melhor no verde… eV λ GaP= indirecto mas quando ligado com GaAs, o bandgap ficará directo a x = 0.45 GaP = 2.26eV 1.997eV GaAs = 1.42eV Indirect ----------- > Direct GaAs (1+x) Px 16-10-13 Por : Luís Timóteo 49
  50. 50. Semicondutores: - LED LEDs LED branco Temperatura das cores: 16-10-13 Por : Luís Timóteo 50
  51. 51. Semicondutores: - LED LEDs LED branco RGB- Mistura Aditiva de Cores Red Green Blue 16-10-13 Por : Luís Timóteo 51
  52. 52. Semicondutores: - LED LEDs LED branco CMY- Mistura subtractiva de Cores CMYK Cian Magenta Yellow Black 16-10-13 Por : Luís Timóteo 52
  53. 53. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco Resposta Relativa  Os LEDs são dispositivos monocromáticos (uma cor).A cor é determinada pela amplitude da banda proibida (bandgap) do semicondutor usado para o seu fabrico; Encarnado, Verde, Amarelo e Azul, são os mais comuns. A Luz Branca contém todas as cores e não White LED Spectrum 1,2 pode ser criada só com um único LED. Na verdade a cor comum do LED Branco 1 "white" é que não é realmente branco (varia com a Temperatura”). 0,8 0,6 0,4 0,2 0 300 400 500 600 700 800 É um LED Azul de Nitrito de Gallium, pigmentado com Fósforo que, quando excitado pela Luz do LED Azul, emite luz de um largo espectro, que adicionada á luz Azul, dá uma luz aproximadamente branca. Comprimento de onda (λ) em nm. A luz branca actual, tem uma tonalidade azulada, similar á luz das lâmpadas de vapor de mercúrio, usadas na iluminação pública. Na curva do spectrum mostrado acima, o pico da esquerda corresponde ao menor comprimento de onda (λ) da componente azul do LED. O lóbulo da direita, de maior comprimento de onda, corresponde á emissão do Fósforo. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 53
  54. 54. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco Tecnologias  Há outros tipos de LEDs “Brancos” que são fabricados com vários “chips” de LEDs de diferentes cores, reunidos num único encapsulamento. Esta técnica não tem tido grande sucesso, conduzindo a mudanças de cor, dependente do ângulo de visão, pelo que o balanceamento das cores não é realmente o melhor. Red+Blue+Green LEDs Red Peak Blue Peak UV LED+RGB Phosphor UV LED Spectrum Combined Spectrum Phosphor Emission Blue LED+Yellow Phosphor Phosphor Emission Combined Spectrum Blue LED Spectrum Green Peak 470 525 590 630 800 Ajuste dinâmico da cor; Cor excelente (Rendering); Cor cintilante (Gamut). 470 430 470 525 525 590 630 700 590 630  Ajuste dos brancos por meio do fósforo;  Simplicidade de criar branco;  Cor excelente (Rendering);  Cor excelente (Rendering).  Simplicidade de criar Branco. Há várias Tecnologias para criar LEDs Brancos, cada qual com as suas vantagens e inconvenientes!... 16-10-13 Por : Luís Timóteo 54
  55. 55. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco: RGB http://arduino-info.wikispaces.com/RGB-LED 16-10-13 Por : Luís Timóteo 55
  56. 56. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco Tecnologias Red+Blue+Green LEDs Multi chip RGB Red Peak Blue Peak Green Peak 470 525 590 630 800 Ajuste dinâmico da cor; Cor excelente (Rendering); Cor cintilante (Gamut). Os LEDs RGB podem criar até 256 cores diferentes. Melhor eficiência (Teórica) Led Verde c/baixa eficiência (80 lm/W) Custo elevado – 5% do mercado. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 56
  57. 57. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco Tecnologias Multi chip RGB A luz branca pode ser formada por mistura de luzes de cores diferentes, o método mais comum é a utilização de vermelho, verde e azul (RGB). Por isso, o método é chamado de LEDs brancos multicolor (por vezes referido como LEDs RGB). Porque estes necessitam de circuitos electrónicos para controlar o processo de mistura e difusão de cores diferentes, e porque os LEDs de cores individuais têm tipicamente padrões de emissão ligeiramente diferentes (conduzindo a variações de cor em função da direcção), mesmo se feitos como uma unidade única, estes são raramente usado para produzir luz branca. No entanto, este método é particularmente interessante em muitos usos, devido à flexibilidade da mistura de cores diferentes, e, em princípio, este mecanismo também tem maior eficiência quântica para produzir luz branca. Vantagens: Excelente CRI. Alta eficiência Lúmenes/Watt. Temperatura da cor pode ser afinada pelo ajuste das três cores separadamente. Mais eficiente em comparação com LED branco á base de fósforos. Desvantagens: Dificuldade de conseguir “puro” Branco. Variação de cor de “lâmpada” para lâmpada. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 57
  58. 58. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco Tecnologias Espectro do LED RGB 16-10-13 Por : Luís Timóteo 58
  59. 59. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco (Pseudo) Tecnologia: LED Azul + Fósforo Amarelo Blue LED+Yellow Phosphor Fósforo Branco Phosphor Emission Combined Spectrum Blue LED Spectrum 470 525 590 630 700  Simplicidade de criar branco;  Falta espectro verde e encarnado Calor Chip LED Azul  Cor excelente (Rendering).  CRI <80.  Actualmente 160 L/w. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 59
  60. 60. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco (Pseudo) Tecnologia: LED Azul + Fósforo Amarelo Fósforo remoto Luz Reflectida Camara de Reflexão Abrir este Link 16-10-13 Chip LED Azul http://player.vimeo.com/video/37590070 Por : Luís Timóteo 60
  61. 61. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco (Pseudo) Tecnologia: LED Azul + Fósforo Amarelo 16-10-13 Por : Luís Timóteo 61
  62. 62. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco (Pseudo) Tecnologia: LED Azul + Fósforo Verde e vermelho (Sialon) Fósforo Branco Chip LED Azul 16-10-13 Por : Luís Timóteo Calor 62
  63. 63. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco (Pseudo) Tecnologias: LED Azul + Fósforo 16-10-13 Por : Luís Timóteo 63
  64. 64. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco (Pseudo) Tecnologia: LED Azul + Fósforo Vantagens: Estabilidade de temperatura da cor. Maior facilidade de criar do que LED RGB. CRI aceitável. Desvantagens: Menor eficiência. Menos Lúmenes/Watt. Emissão de espectro. Menor durabilidade que outros tipos de LEDs. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 64
  65. 65. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco Tecnologia: LED UV + Fósforo RGB Fósforo UV LED+RGB Phosphor  Ajuste dos brancos por meio do fósforo;  Cor excelente (Rendering); UV LED Spectrum Combined Spectrum Phosphor Emission  Simplicidade de criar Branco.  CRI 90 Calor 430 470 16-10-13 525 590 630 Chip UV LED Por : Luís Timóteo 65
  66. 66. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco Outras Tecnologias Dicromáticas Tricromáticas Tetracromáticas 16-10-13 Por : Luís Timóteo 66
  67. 67. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Estrutura interna do LED LED ”Illuminator” Lente LED Chip Cátodo Base de Silício Calor Invólucro Exterior Dissipador Térmico Fio de ligação 16-10-13 Por : Luís Timóteo Phillips Lumiled Luxeon K2s 67
  68. 68. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Refrigeração LED ”Illuminator” LED chip PCB LED Dissipador O CALOR é retirado do chip, para o ambiente. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 68
  69. 69. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Estrutura interna do LED LED ”Illuminator” Lente de Plástico Encapsulante de silicone Cátodo (Terminal) Fios de Ouro Dissipador 16-10-13 Calor Substrato de Silício LED Chip (InGaN) Por : Luís Timóteo 69
  70. 70. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Estrutura interna do LED LED ”Illuminator” Diodo ESD Lente Ligação Ânodo Cátodo Dissipador Chip Estrutura de Alojamento ESD- electrostatic discharge 16-10-13 Por : Luís Timóteo 70
  71. 71. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Estrutura interna do LED Extracção de Luz Dirigida LED+ Cristal Fotónico Cristal Fotónico Contactos Metálicos p-GaN GaN (n=2.4) n-GaN Safira (n=1.7) Safira QW(*) região Activa QW: Incorporando cristais fotónicos nos LED’s de indium-gallium-nitride, aumenta-se a eficiência quântica interna e a quantidade de luz extraída. A Luz é produzida na região activa de poços quânticos (quantum Wells (QW). 16-10-13 Por : Luís Timóteo 71
  72. 72. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs High Power LED PCB Acriche”, the World First Semiconductor Light Source CREE XML T6 Luminus Up to 6000 lumens @ ~100 lm/W High Power Led Emitter White Z-LED - P4 [WW-P05A5SWUA] Luxeon Emitter High Power Cool White Cree XLamp® 7090 power LED Phillips Lumiled Luxeon K2s 16-10-13 Por : Luís Timóteo 72
  73. 73. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs High Power LED Package  LED Chip Determina o brilho e a eficácia.  Sistema de Fósforo Determina a cor e a sua estabilidade.  Package Protege o chip e o fósforo. Ajuda a extracção de luz e calor. Factor determinante do tempo de vida útil do LED. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 73
  74. 74. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Extracção de Luz; Diferentes geometrias para aumentar a extracção de Luz 16-10-13 Por : Luís Timóteo 74
  75. 75. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Foco - LED branco CREE Introduz em Maio, 2009  LRP-38: 12 watts, 500 lúmenes, Temperatura de cor 2700K. 92 CRI, Durabilidade: 50.000 horas 16-10-13 Por : Luís Timóteo 75
  76. 76. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Foco - LED branco Lâmpadas a LED‘s Equivalente a 100W incandescente Switch100W-537×367  A Switch LED, apresentou em 2011 a primeira Lâmpada LED fornecendo 1700 lúmenes, para uso comercial e residencial. 16-10-13 Por : Luís Timóteo dos seu género, equivalente a 100W, 76
  77. 77. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Foco - LED branco Óptica (Difusor) LEDs (Chips) Reflector PCB Óptica (Fósforo Remoto) Interface Térmico Dissipador Térmico Driver (Interno) Encapsulante Térmico para circuito de potência Casquilho Phillips Lumiled Luxeon K2s 16-10-13 Por : Luís Timóteo 77
  78. 78. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs LED branco: LIFX Este é um projecto que nos pretende dar aquilo que todos (ou pelo menos, muitos, imagino eu…) desejam: a possibilidade de ter total controlo sobre as lâmpadas em sua casa. Estas lâmpadas LED podem ser controladas através do vosso smartphone, e para além de as ligarem/desligarem, podem mudar de cor, e até usarem funcionalidades mais avançadas como: Ligarem-se e desligarem-se automaticamente quando chegam a casa ou se ausentam; Acendimento gradual de manhã, para vos proporcionar um acordar mais natural;  Apagamento progressivo e lento quando ao deitar; Criar notificações coloridas quando recebem e-mails ou mensagens; Mudar de cor ao som da música, etc. etc. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 78
  79. 79. Semicondutores: - LED LED - Driver Como o LED deve ser conectado numa condição de polarização directa através de uma fonte de alimentação, a corrente que o percorre deve ser limitada usando uma resistência em série para protegê-lo de fluxo de corrente excessiva. Nunca ligar um LED directamente a uma bateria, pilha ou fonte de alimentação, uma vez que será destruído quase que instantaneamente, porque a corrente excessiva irá queimá-lo. O valor da resistência em série (RS), é calculado RS simplesmente usando a Lei de Ohm, desde que sabendo a corrente directa adequada para o LED (IF), a tensão de IF polarização (VF) e a tensão de alimentação (VS). O valor da VF VS resistência limitadora de corrente é calculado assim: O brilho de um LED não pode ser controlado simplesmente por variação da corrente que flui através dele. Permitindo mais fluxo de corrente através do LED vai fazê-la brilhar mais, mas também fará com que ele dissipe mais calor. Os LEDs são projetados para produzirem uma quantidade de luz, a uma corrente específica ,variando de 10 a 20 mA. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 79
  80. 80. Semicondutores: - LED LED - Driver Agora que sabemos o que é um LED, precisamos de alguma forma de controlá-lo para ligá-lo "ON" e "OFF". Os andares de saída de circuito lógicos TTL, e portas lógicas CMOS, podem ser usados para alimentar um LED. ​ Circuitos integrados médios, têm uma corrente de saída até 50 mA. De qualquer maneira a corrente de alimentação do LED deve ser limitada a um valor seguro usando uma resistência em série como vimos anteriormente. Seguidamente estão alguns exemplos de circuitos usando ICs de lógica combinacional ou sequencial sinalizando com LEDs. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 80
  81. 81. Semicondutores: - LED LED - Driver 16-10-13 Por : Luís Timóteo 81
  82. 82. Semicondutores: - LED LED - Driver LED – Bicolor Os chips de LEDs bicolores, têm dois LEDs conectados em 'paralelo inverso "(um polarizado directamente e outro inversamente. Os LEDs bicolores podem produzir qualquer uma das três cores, por exemplo, a cor vermelha é emitida quando o dispositivo está conectado com a corrente que flui em uma direcção e a cor verde é emitida quando a corrente é noutra direcção… LED Sele-te LED 1 LED 2 Cor Terminal A + ON OFF OFF ON ON ON Verde Vermelho Cor de Vermelho Laranja saída LED 1 0 5mA Corrente LED 2 10mA 6.5mA Corrente 16-10-13 AC Amarelo Amarelo Verde 9.5mA 15mA 3,5 mA 0 Por : Luís Timóteo 82
  83. 83. Semicondutores: - LED LED - Driver Display de 7 segmentos Assim como LEDs de cor única ou multicores, vários LEDs podem ser combinadas dentro de um único pacote para produzir telas: como gráficos de barras, tiras, matrizes e displays de sete segmentos. O display LED de sete segmentos fornece uma maneira muito conveniente de exibir, quando devidamente descodificada a informação digital ou de dados, as formas de números, letras ou até mesmo personagens alfanuméricas, e como o próprio nome sugere, eles consistem de sete LEDs (os segmentos), dentro de um pacote de exibição único. Na década de 60 – 70 diversas empresas foram pioneiras em usar LED’s vermelhos, com displays de 7 segmentos. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 83
  84. 84. Semicondutores: - LED LED - Driver Display de 7 segmentos a Um display de sete segmentos (SSD) é simplesmente umf agrupamento de LEDs numa figura de oito {alguns incluem e um ponto decimal (DP)}. b g c d dp Cada segmento é identificado por uma letra de (a) a (G), e estão disponíveis em duas configurações: Cátodo comum; Ânodo Comum. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 84
  85. 85. Semicondutores: - LED LED - Driver Display de 7 segmentos: Ânodo Comum Exemplo: Qual será o algarismo exibido neste display de 7 segmentos de Ânodo Comum? Solução: Ânodo Comum:  0 volts = Segmento On.  b, c, f, & g.  5 volts = Segmento Off. a  a, d, & e. g f b c e d 16-10-13 Por : Luís Timóteo 85
  86. 86. Semicondutores: - LED LED - Driver Display de 7 segmentos: Cátodo Comum Exemplo: Qual será o algarismo exibido neste display de 7 segmentos de Cátodo Comum? Solução: Cátodo Comum:  5 volts = Segmento On.  a, b, d, e, & g.  0 volts = Segmento Off. a  c & f. g f b c e d 16-10-13 Por : Luís Timóteo 86
  87. 87. Semicondutores: - LED LED - Driver Display de 7 segmentos: Um dispositivo electrónico muito usado com os displays de 7 segmentos é o descodificador BCD-7segmentos. O descodificador tem a função de interpretar um código (BCD) e gerar os sinais para ligar o dígito correspondente a este código no display de 7 segmentos. Por exemplo: Entrada do descodificador em BCD (Decimal Codificado em Binário) – 0000. Saída do descodificador para o display de 7 segmentos - 0111111 - g f e d c b a Entrada do descodificador (0 em BCD) 0 0 0 0 Descodificador BCD – 7segmentos 0 1 1 1 1 1 1 Saída do descodificador para o display de 7 segmentos (dígito 0) Note que a saída do descodificador corresponde a ligar os segmentos do digito “ 0” de um display do tipo cátodo comum. Os descodificadores comerciais disponíveis são: 7447 (ânodo comum) e 7448 (cátodo comum). 16-10-13 Por : Luís Timóteo 87
  88. 88. Semicondutores: - LED LED - Driver Display de 7 segmentos: Descodificador BCD – 7 segmentos. segmentos Circuito integrado 7448 16-10-13 Por : Luís Timóteo 88
  89. 89. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs Display de 7 segmentos: Alguns displays podem mostrar apenas os dígitos ou caracteres alfanuméricos. Eles são chamados de displays de segmentos, porque eles são compostos de vários segmentos que se ligam e desligam. Existem vários tipos: Display de 7 segmentos (os mais comuns, são só dígitos). Display de catorze segmentos. Display de dezasseis segmento. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 89
  90. 90. Semicondutores: - LED LED - Driver Matriz de Pontos (DOT Matrix)  A matriz de pontos é muito semelhante ao display de 7 segmentos, ou seja, é uma matriz de leds no formato 7x5 ou 8x8, só que ao contrário do display de 7 segmentos, não se consegue ligar todos os leds ao mesmo tempo, só uma coluna de cada vez. Logo precisase multiplexar as colunas, para ver o caracter no display...  O que significa multiplexar? Multiplexar, significa activar um display de cada vez, alternar o funcionamento dos displays. Portanto, cada display ficará ligado por um espaço de tempo e depois apagará, mas isto é feito a uma frequência que a visão humana não consegue perceber, ou seja, se os displays estiverem a ser multiplexados com uma frequência de 50 Hz ou maior, a visão humana terá a impressão que todos os displays estão ligados, mas na realidade quando um liga os outros estão desligados. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 90
  91. 91. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver Lembra-se da ligação de lâmpadas incandescentes á rede eléctrica? eléctrica Mas os LEDs trabalham com uma tensão muito menor (3-5 V) e é um dispositivo DC. Por esta razão os LEDs não podem ser ligados directamente à rede. Para ligar LEDs á rede eléctrica, usa-se um circuito electrónico simples, chamado LED driver (também chamado de Balastro electrónico, Reactor Electrónico, fonte LED…) que muda a tensão AC em DC, reduzindo a condução de corrente nos LEDs. As Luminárias modernas, com valor acrescentado (possibilidade de controlo de luminosidade, unidade de emergência, sensor de presença, controle remoto) requerem circuitos electrónicos mais complexos. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 91
  92. 92. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Tipos e parâmetros  De acordo com o tipo de sinal de saída, temos três grupos de drivers de LED: Corrente Constante (CC) LEDs estão ligados em serie, o driver fornece um valor preciso de corrente. Bom para controlo de luminosidade (Dimmer). Voltagem Constante (VC) LEDs estão ligados em paralelo, ideal para tiras decorativas de LEDs. Podem ser ligados muitos LEDs. Não recomendado para dimmer.  Parâmetros mais importantes LED driver. Voltagem/Corrente nominal Valor predefinido de voltagem/corrente. Potência Nominal Potência de saída do driver. Eficácia Relação entre a potência de saída e a potência de entrada em percentagem - maior número significa melhor driver. Especial (CC+VC) Podem ser ligados LEDs em série e em paralelo. Solução mais cara. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 92
  93. 93. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais Interface analógico - maneira mais fácil de controlar o brilho de uma luminária. Interface Analógico - usado na industrial de iluminação , para controlo de luminosidade (dimming): TE/LE - trailing/leading edge (Regulação a Tiristor) - Somente para controlo de uma luminária. 0-10 V, 1-10 V dimming – suporta controlo sobre mais do que uma luminária.  Sistema mais utilizado, no controlo de luminosidade em estabelecimentos comerciais (Ex. luzes de montras - “spots”). - Não é possível desligar a luminária através do controlador analógico. Interface Digital - comunicação sofisticada com a luminária. Possibilidade de ligação de vários controladores de LED através do interface digital, e controlá-los de forma independente. Suporta a leitura do estado de cada luminária. Suporta “dimming”, sensor de presença, controlo remoto, sistemas ajustáveis de tonalidade de cores da luz, etc.,. ​ Interface Digital é usado nos seguintes sistemas de controlo de iluminação: DALI - Digital Addressable Lighting Interface. DSI - Digital Signal Interface. DMX - Digital MultipleX. KNX - Worldwide standard for all applications in home and building control. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 93
  94. 94. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais Primeiro Circuito para “Dimming” LEDs, a partir do controlo a TRIACs usado para lâmpadas incandescentes. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 94
  95. 95. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais 16-10-13 Por : Luís Timóteo 95
  96. 96. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais Interface Digital (Cont.) - comunicação sofisticada com a luminária.  Solução para instalações / projectos com grande número e variedade de tipos de luminárias. Branco Ajustável Se duplicarmos algumas peças Electrónicas dentro do driver, pode-se ligar e controlar dois tipos de LEDs com CCT diferentes (temperatura de cor correlacionada) - branco frio, e frio branco quente. quente  + Possibilidade de "afinar" CCT da luz de uma luminária e usá-la em várias aplicações de bem-estar. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 96
  97. 97. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais Feedback Térmico LED driver pode controlar a temperatura dos LEDs. Com base na temperatura real, o LED Driver pode diminuir a corrente, a fim de evitar o sobreaquecimento dos LEDs, em caso de temperatura ambiente excessiva.  + A vida útil da fonte de luz LED pode ser facilmente mantida por este modo.. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 97
  98. 98. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais Controlo Remoto LED driver pode facilmente ter implementado a função de controle remoto para controle sem fios da luminária. Pack de Emergência LED driver com o Pack de emergência, monitora continuamente a rede eléctrica, e em caso de apagão, alimenta a fonte de luz através de baterias. São usadas unidades de emergência standard com baterias que podem alimentar a luminária ​ em modo de emergência por 1 a 3 horas.  + Uma das características mais importantes, exigidas por todas as instalações públicas... 16-10-13 Por : Luís Timóteo 98
  99. 99. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais Controlo Remoto 16-10-13 Por : Luís Timóteo 99
  100. 100. Semicondutores: - LED LED – Driver: Iluminação Controlo Electrónico: LED driver – Recursos adicionais Controlo Remoto Ajuste automático para a quantidade de LEDs em série. 16-10-13 1-12 LEDs x 3W Por : Luís Timóteo 100
  101. 101. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs LED ”Indicator”: Vários tipos de indicadores, todos eles a LEDs… 16-10-13 Por : Luís Timóteo 101
  102. 102. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs LED ”Indicator”: Sinalização de Trânsito 16-10-13 Por : Luís Timóteo 102
  103. 103. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs LED ”Indicator”: Sinalização de Trânsito Sinalização …. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 103
  104. 104. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs LED ”Indicator”: Automação Industrial Detectores de reflexão de objectos Detectores de barreira 16-10-13 Por : Luís Timóteo 104
  105. 105. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs LED ”Indicator”: LEDs TV Os televisores actuais comercializados como "TVs de LED" não são efectivamente LED TVs. Eles são TVs de LCD que utilizam LEDs para a retroiluminação. Os LCDs a LEDs são energeticamente eficiente em comparação com os "regulares" LCDs(CFLs) e plasmas, que ainda não são tão eficientes como os de OLEDs. No que respeito à diferença entre o LED e OLED, o último, usa materiais que incluem carbono ("orgânica") para criar a luz, quando é percorrido por uma corrente . Numa explicação extremamente simplista e generalizada, os LEDs são como pequenas lâmpadas, enquanto os OLEDs são “superfícies” emissoras de luz. A verdadeira “LED TV", uma TV que usa os LEDs para a própria imagem, é um protótipo da Sony Cristal LED. Se esta tecnologia passar da fase de protótipo, teremos notícias no futuro, daqui até lá algo semelhante só os ecrãs gigantes em estádios e publicitários exteriores… 16-10-13 Por : Luís Timóteo 105
  106. 106. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs LED ”Indicator”: LEDs TV Os Painéis de LEDs são ideais para: Sessões de treino, onde os funcionários precisam de reter uma grande quantidade de informação visual.  Eventos de lançamento de produto, pois o vídeo de alta definição, som e recursos de exibição de fotos, transmitem a mensagem. Reuniões de directoria. Em sessões de reuniões de associações. No corredor ou halls de entrada de reuniões e / ou de hotel, para os participantes poderem acompanhar os médias sociais, através de vídeo streaming vindo do evento. Painéis publicitários, informativos, etc. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 106
  107. 107. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs reais de LEDs, as são LED ”Indicator”: LEDs TV  os monitores potencialmente melhor seuma escolha mais nova e você estiver a procura no mercado de um novo monitor para seu computador ou televisão. Tendo em conta que os monitores LCD são feitos com luzes fluorescentes ou LEDs de backlight, os monitores de LED com diodos LED, têm inúmeras vantagens que só pode fazer um monitor LED com um investimento superior pode dar… Longa duração. Melhor cor. Melhor contraste. Uso outdoor. Dimensão escalável. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 107
  108. 108. Semicondutores: - LED Aplicações gerais dos LEDs LED ”Illuminator”: Iluminação 16-10-13 Por : Luís Timóteo 108
  109. 109. Semicondutores: - LED Iluminação!..... Vantagens dos LEDs: Ligação instantânea e comutação rápida Ao contrário de outras fontes de luz tradicionais, fluorescentes ou lâmpadas de iodetos metálicos, os LEDs alcançam a luminosidade total instantaneamente, e sem atraso. Na iluminação geral, por sua vez, a ligação instantânea pode ser desejável tanto para segurança como parta comodidade. Em contraste com as fontes de luz tradicionais, a vida útil do LED e manutenção do fluxo luminoso não serão afectados pela comutação frequente. Ligação Instantânea Comutação frequente  A capacidade de comutação, faz dos LEDs, um dispositivo adequado para uso com todos os tipos de controlos “on-off”, sensores de presença ou da luz do dia. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 109
  110. 110. Semicondutores: - LED Iluminação!..... Quantum Light™ Light A Óptica permite que as empresas produtoras de produtos de iluminação LED, possam produzir lâmpadas e luminárias que combinam a cor quente e familiar de lâmpadas incandescentes com a eficiência energética da tecnologia LED. A primeira lâmpada incorporando óptica quântica Light ™ ficou disponível no mercado no primeiro trimestre de 2010. A óptica Luz Quantum ™ é aplicada à face de saída de uma lâmpada de substituição de LEDs ou de outra fixação (downlight). Estes produtos avançados de pontos quânticos, demonstram a qualidade elevada da cor e eficiência, juntamente com a economia de energia de até 80% e 50.000 horas de vida do produto. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 110
  111. 111. Semicondutores: - LED Iluminação!..... Quantum Light™ Light Uma película fina de material de Quantum LightTM é revestido sobre a placa de cobertura. A óptica resultante, é colocada em frente de uma lâmpada de LEDs. Os Materiais quânticos absorvem parte da luz azul fria do LED (Cool white), e eficientemente re-emitem-na como luz amarela quente (warm white). Isto equilibra o espectro de cores de iluminação, criando uma luz agradável de qualidade incandescente, com eficiência significativamente maior. A eficiência se traduz em menores necessidades de LEDs, para alcançar um nível de brilho dado, que se traduz num menor custo para fazer a lâmpada LED ou da luminária. A Óptica quântica oferece soluções muito superiores em comparação com fósforos convencionais para alcançar cores quentes e ricas em iluminação de LEDs. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 111
  112. 112. Semicondutores: - LED Iluminação!..... Tecnologia QDEF ™Quantum Dot Enhancement Film  QDEF é uma tecnologia de componente de película óptica para unidades de backlight de LED LCD. A tecnologia QDEF pode ser usada em qualquer tamanho, Tablet-Pcs, a grandes HDTVs. Concebido para substituir a funcionalidade de uma folha de difusora, convertendo também a cor, QDEF™ pode ser simplesmente adicionada, com pouca alteração na espessura global ou no processo de fabrico.  A Nanosys usa “dots” LCM Bezel quânticas de fósforo de alta eficiência. Maiores do Quantum dots que uma molécula de água, mas menor do que um vírus, estas substâncias fosforescentes minúsculos convertem a luz azul de um LED standard de GaN, em diferentes comprimentos de onda com base no seu BEF  Dots maiores emitem comprimentos de onda maiores (vermelho), tamanho. enquanto dots menores emitem comprimentos de onda menores (verde). Fazendo uma mistura de dots, permite á Nanosys TM projectar um novo espectro de luz. Isto permite que os QDEF fabricantes de LCD façam coincidir com precisão a sua luz de fundo LED para os seus filtros de cor do LCD para atingir a cor melhor possível e desempenho e eficiência. O resultado é uma imagem de desempenho profissional de cor a nível de cinema na palma da sua mão ou em sua parede da sala. 16-10-13 Por : Luís Timóteo Light Guide Back Plate Reflector Plate Blue LEDs 112
  113. 113. Semicondutores: - LED Iluminação!..... Edge-Lit LED Flat Panel Originado da tecnologia de retroiluminação LED em monitores LCD. A emissão de luz dos LEDs, na borda do painel, é acoplada no guia de ondas, propagada e é dispersa pelas características de superfície (sulcos, microlentes). Eficiência do acoplamento da luz (painel de saída / saída dos LEDs) varia amplamente de 55 a 95%. A espessura Waveguide varia de muitos milímetros a 250 micros. Espectro da emissão é, praticamente a mesma dos LEDs utilizados. É possível a utilização de ambos os LEDs brancos frios e quentes e ter um CCT sintonizável, ou a utilização de LEDs RGB e realizar a mistura de cor no interior do guia de ondas. Uma vez que dezenas ou mesmo centenas de LEDs podem ser utilizados, o controlo apertado de LEDs individuais não é tão crítico de painel para painel para atingir a cor pretendida. K. Drain, Rambus, DOE SSL R&D Workshop, Feb 2011 16-10-13 Por : Luís Timóteo 113
  114. 114. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Vantagens Os LEDs podem fornecer luz por um longo período de tempo, reduzindo os custos de manutenção e aumento da segurança no local de trabalho através de níveis de iluminação adequada.  Os LED são o que de mais importante aconteceu na iluminação desde a invenção da eletricidade. Ilumina durante mais de 20 anos, pode ser integrado em lâmpadas, o que permite novos designs e usa uma pequena parte da energia das lâmpadas incandescentes. As lâmpadas LED são a opção sustentável e a escolha prática e funcional.  Baixo consumo: Esta é a grande mais-valia das LED (do inglês díodo emissor de luz). O princípio de funcionamento baseia-se na eletroluminescência emissão de luz pela passagem de energia. É um processo muito eficiente que pode representar uma poupança de 80%, relativamente às lâmpadas incandescentes cuja produção, na Europa, está proibida desde setembro de 2012. A substituição das lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes ou de LED é tida como a mais importante medida de controlo das emissões de gases com efeito de estufa.  Tempo de vida :Uma boa lâmpada LED pode durar de 35 mil a 50 mil horas, ou oito a dez anos, enquanto as incandescentes subsistem em média durante um ano.  Robustez :Ao contrário das lâmpadas incandescentes, que se partem com facilidade, as LED, baseadas em semicondutores, são resistentes ao choque.  Temperatura: Quase toda a energia fornecida às lâmpadas LED é gasta na iluminação, pelo que não há, Temperatura praticamente, libertação de calor.  Cor: Os LED oferecem várias colorações, o que permite inúmeras possibilidades de iluminação, sobretudo em espaços de festa… 16-10-13 Por : Luís Timóteo 114
  115. 115. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Vantagens dos LEDs: Sem emissão de UVs LEDs emitem uma quantidade desprezível de luz ultravioleta (UV) e muito pouca radiação infravermelha. Um pequena quantidade de calor irradiado por LEDs torna-os adequados para as mercadorias que são sensíveis ao calor. A falta de radiação UV (com desenho apropriado da parte óptica) torna-os atraentes para a iluminação de objectos delicados como obras de arte, bem como para materiais sujeitos a degradação por UV. Aplicações de iluminação: 16-10-13 Por : Luís Timóteo 115
  116. 116. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Vantagens dos LEDs: Fiabilidade e durabilidade Ao contrário de outras fontes de luz, os LEDs não "queimam" eles só perdem lentamente sua saída de luz ao longo do tempo. Este factor é importante na vida útil dos LEDs. Os fabricantes estão agora afirmando a manutenção do fluxo luminoso a 70% durante a sua vida útil, que pode variar dependendo das condições operacionais (temperatura, humidade), e do tipo de LED.  Existem inúmeros factores, que podem encurtar a vida do LED, mas a principal causa de diminuição de luz, é o calor gerado pela junção do LED. O calor deve ser removido do dispositivo por condução ou convecção. Sem dispositivo de gestão térmica, a temperatura irá subir, e vai causar a diminuição de saída contínua de luz. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 116
  117. 117. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Vantagens dos LEDs: Impacto ambiental Através dos LEDs podemos reduzir o impacto ambiental em diversas áreas. Maior vida útil das lâmpadas significa que menos recursos são necessários para a sua manutenção. Eles também usam nenhum mercúrio e menos fósforo do que as alternativas fluorescentes. Estes factos, combinados com LEDs de alta eficiência, fazem uma escolha inteligente que ao mesmo tempo reduz o impacto humano sobre a natureza. 16-10-13 Por : Luís Timóteo 117
  118. 118. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Parâmetros dos LEDs: Eficácia do LED - Relação entre a luz de saída (em lúmenes) e potência de entrada (em watts). Quanto maior número de lm / W melhor LED. Color Rendering Index (CRI) – Índice de Reprodução de Cor (IRC) – É a habilidade de uma fonte de luz para reproduzir fielmente a cor dos objectos iluminados, em referência a uma fonte de luz ideal (sol ou lâmpada incandescente). Correlated Color Temperature (CCT) - Temperatura de Cor Correlacionada (TCC) -Temperatura de um radiador negro ideal, que irradia luz, comparável ao tom da fonte de luz que o ilumina. Standardized color sample set to define CRI 16-10-13 Por : Luís Timóteo 118
  119. 119. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Eficácia Típica dos LEDs Comparada com as Tecnologias de Iluminação Convencionais no Mercado em 2011 Product Type Typical Luminous Efficacy (in lm/W) LED cool white package LED warm white package LED A19 lamp (warm white) LED PAR38 lamp (warm white) High intensity discharge (high watt) Lamp and ballast Linear fluorescent Lamp and ballast High intensity discharge (low watt) Lamp and ballast Compact fluorescent lamp Halogen Incandescent 130 93 64 52.5 120 111 118 108 104 97 63 20 15 Source: 2011 DOE SSL Multi-Year Program Plan 16-10-13 Por : Luís Timóteo 119
  120. 120. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Evolução….. Alvo ….280lm/W  Em Dezembro de 2009, a eficiência luminosa do LED branco era até 186 lúmenes por watt, e alguns produtos comerciais, em seguida, começaram a oferecer aos clientes produtos com fluxo luminoso total de 139 lúmenes, a eficiência luminosa de 132 lúmenes/Watt… - Mas… muito caros!...  Projecções do U.S. Bureau of Energy (DOE) para 2015 – LEDs poderiam alcançar a eficiência luminosa de 188 lúmenes /watt, e a luz quente (± 3000ºK), a eficiência de 138 lúmenes por watt … em 2012, essas metas já foram ultrapassadas… Source: The industry, PIDA finishing (10/2009) LED luminous efficiency in the laboratory and commercial progress 16-10-13 Por : Luís Timóteo 120
  121. 121. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs Previsão na evolução da eficiência dos LEDs. Luminous Efficiency (lumens / watt) 200 150 LED 100 White LED Fluorescent 50 Reflector Incandescent 0 1920 1940 Halogen 1960 1980 2000 2020 Source: Lumileds 16-10-13 Por : Luís Timóteo 121
  122. 122. Semicondutores: - LED Iluminação a LEDs 200 Previsão na evolução da eficiência dos LEDs. 186 LPW CW Lumens/watt 180 R&D Anúncios 160 161 LPW 140 120 100 131 LPW HID Linear Fluorescentes XP-E XR-E XP-G High Volume Production XR-E 60 20 ~2 anos 3 anos 80 40 ? anos CFL LED Incandescentes 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 16-10-13 Por : Luís Timóteo 122
  123. 123. Semicondutores: - LED Dúvidas? 16-10-13 Por : Luís Timóteo 123
  124. 124. Semicondutores: - LED Bibliografias http://www.prof2000.pt/users/lpa http://www.acuitybrandsoled.com/oleds/oled-technology/ www.ecse.rpi.edu www.lightemittingdiodes.org/ http://www.solidstatelightingdesign.com/ © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) http://www.iar.unicamp.br/lab/luz/ld/Livros/Luminotecnica.pdf http://www.dfisica.ubi.pt/~hgil/FotoMetria/Iluminacao.1.html http://www.ledonoled.com/en/technology.html Perils & Possibilities (2011) Rob Kaulfuss Prof. of EconomicsMiddlesex Community College http://www.explainthatstuff.com/how-oleds-and-leps-work.html http://www.omslighting.com/ledacademy/442/download http://www.universaldisplay.com/ http://www.moree.de/bilder/Gifs/2009_11_04%20RGB%20Bulb/Gif-animation.gif http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode http://tech.lifx.co 16-10-13 Por : Luís Timóteo 124

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