Os LEDs na iluminação

Os LEDs na iluminação

Série de artigos sobre a iluminação com uso de LEDs, descrevendo de forma simples e fácil de entender, os fundamentos, vantagens e desvantagens do uso dos LEDs em iluminação.

Baseado no livro Física Moderna Experimental, revista Lumière,.

Parte I

Introdução

De acordo com estudos realizados recentemente aproximadamente 19% do consumo mundial de energia elétrica estão relacionados à iluminação. No Brasil este percentual sobe para 20%.
Visando amenizar o impacto causado por este elevado consumo, as grandes empresas de iluminação têm investido pesado em projetos e pesquisas que além da economia visam também uma melhor qualidade da reprodução da luz.
Aqui entram os LEDs (Light Emission Diodes) ou Diodos Emissores de Luz, comparados as outras tecnologias os LEDs economizam até 80% de energia, não emitem raios ultravioletas ou infravermelhos, têm excelente eficiência energética, grande durabilidade, eliminam o uso de filtros e proporcionam maior segurança, pois geram menos calor.

O LED

O LED é um diodo, um componente eletrônico, o tipo mais simples de semicondutor. O semicondutor, por sua vez, é um material que oferece grande dificuldade para conduzir a corrente elétrica, a ele são adicionados átomos de outro material ou impurezas (dopagem) que o tornam um bom condutor.

Num LED comum o semicondutor normalmente é o arseneto de alumínio e gálio, nele todos os átomos  combinam perfeitamente sem deixar elétrons livres. Depois da dopagem, átomos adicionais alteram o equilíbrio adicionando elétrons livres ou criando lacunas ou buracos.
Se o semicondutor após “dopado” apresentar elétrons extras ele é chamado material tipo-N. Neste tipo de material os elétrons se movem da área carregada negativamente para a área carregada positivamente.

Se o semicondutor após a dopagem apresentar lacunas extras ele é chamado material tipo-P, já que as partículas extras estão carregadas positivamente. Os elétrons “vão” de lacuna em lacuna novamente de uma área carregada negativamente para uma área carregada positivamente, com isto as lacunas, ou buracos se preferir, parecem se mover de uma área carregada positivamente para uma área carregada negativamente.

Num diodo é ligada uma seção de material tipo-N a uma seção de material tipo-P, a cada seção é ligado um eletrodo. O diodo só conduz a corrente em um sentido. Se nenhuma tensão for aplicada aos eletrodos, forma-se uma zona vazia, ou seja, os elétrons extras do material tipo-N preenchem as lacunas do material tipo-P, o semicondutor volta ao seu estado de isolante.

Se conectarmos o terminal negativo de um circuito ao eletrodo ligado ao material tipo-N, e o terminal positivo ao eletrodo ligado ao material tipo-P, os elétrons livres do material tipo-N são repelidos pelo eletrodo ligado ao terminal negativo e atraidos para o eletrodo ligado ao terminal positivo, ao mesmo tempo as lacunas do material tipo-P se movem em sentido contrário. Quando a tensão for alta o suficiente os elétrons na zona vazia serão retirados e começarão a se mover livremente, com isto a zona vazia desaparece e a carga flui através do diodo.
Se invertermos a polaridade não haverá corrente pois os elétrons do material tipo-N serão atraídos para o eletrodo positivo, e as lacunas do material tipo-P serão atraídas para o eletrodo negativo, assim a zona vazia aumenta e haverá fluxo de corrente.

A luz é formada por uma grande quantidade de partículas que tem energia e movimento, estas partículas foram batizadas por Einstein de fótons, os fótons são o resultado da movimentação dos elétrons entre os orbitais do núcleo de um átomo.
Quando um elétron passa de uma orbital mais baixa para uma mais alta ele aumenta seu nível de energia quando ele retorna do orbital mais alto para o mais baixo a energia é liberada em forma de fótons.

Voltando aos elétrons livres fluindo através do diodo, ao encontrarem as lacunas de uma camada de material tipo-P, eles passam para um orbital mais baixo liberando assim energia em forma de fótons.
Todos os diodos liberam luz, mas, num diodo comum o próprio semicondutor absorve a energia liberada em forma de luz, além disto num diodo de silício comum, por exemplo, os átomos são montados de forma que os elétrons “pulem” uma distância tão curta que a frequência do fóton se torna invisível ao olho humano.

O LED é encapsulado num bulbo em forma de lente que concentra a luz numa direção específica, facilitando a liberação de grande número de fótons.

No próximo artigo o LED branco, o primeiro dos LEDs em direção a iluminação.