LED - ILUMINAÇÃO DE ESTADO SÓLIDO

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1 LED - ILUMINAÇÃO DE ESTADO SÓLIDO Marcelle Gusmão Rangel, Paula Barsaglini Silva, José Ricardo Abalde Guede FEAU/UNIVAP, Avenida Shisima Hifumi 2911, São José dos Campos - SP [email protected], [email protected], [email protected] Resumo - Este artigo apresenta um estudo sobre iluminação de estado sólido, utilizando LED s (Diodos Emissores de Luz), como uma nova tecnologia na área de iluminação em geral, aplicada em áreas externas e internas, que vem crescendo gradativamente a cada ano. Visa demonstrar seu funcionamento, suas características, aplicações, vantagens e facilidades em relações as demais tecnologias, bem como suas desvantagens, através de informações referentes a consumo de energia elétrica, eficiência, manutenção, produção de cores, custos e durabilidade, comparando-os com as demais fontes de iluminação hoje utilizadas no mercado. Palavras-chave: LED, semicondutores, iluminação, estado sólido. Área do Conhecimento: III Engenharias Introdução Os LED s (diodos emissores de luz), inventados na década de 1960, são componentes eletrônicos semicondutores que tem a propriedade de transformar energia elétrica em luz. Ao contrário das lâmpadas convencionais, os LED s não possuem filamentos, eletrodos ou tubos de descarga e se apresentam como componentes de minúsculas dimensões. Nos LED s, a transformação de energia elétrica em luz é feita na matéria, sendo, por isso, chamado de estado sólido (SCOPACASA, 2008). Esse tipo de iluminação pode ser descrito como o terceiro estágio na evolução da lâmpada elétrica. O primeiro, representado pela lâmpada incandescente desenvolvida pelo americano Thomas Edison, pouco mudou nos últimos 128 anos. O mesmo filamento incandescente continua a ser utilizado até hoje. A segunda fase, iniciada nos anos 30, é a do uso das fluorescentes. Estas geram luz a partir de uma mistura de gases num tubo revestido de fósforo. Mais econômicas, elas já substituíram as incandescentes em grandes ambientes e também, de modo crescente, nas residências. Os sistemas de iluminação com LED s ainda custa mais caro, apesar de seu preço cair pela metade a cada dois anos. Essa tecnologia não está se tornando apenas mais barata, está também mais eficiente, iluminando mais com a mesma quantidade de energia. Uma lâmpada incandescente converte em luz apenas 5% da energia elétrica que consome, enquanto as lâmpadas LED convertem até 40%. Essa diminuição no desperdício de energia traz benefícios evidentes ao meio ambiente. Nos países em que a eletricidade é produzida a partir da queima de combustíveis fósseis, essa economia significa nove vezes menos gases do efeito estufa na atmosfera. Se metade de toda a iluminação mundial fosse convertida à tecnologia LED até 2025, seria possível economizar 120 gigawatts de eletricidade. Isso reduziria as emissões de dióxido de carbono em 350 milhões de toneladas por ano (SILVESTRE 2008). Metodologia Os LEDs são dispositivos de baixa tensão, formados por meio da junção de dois cristais semicondutores dopados com materiais distintos, sendo que um deles contém elétrons em excesso (semicondutor do tipo N) e, o outro, lacunas em excesso (semicondutor do tipo P). Em condições normais, os elétrons livres do semicondutor do tipo N preenchem as lacunas do material do tipo P criando uma banda de isolamento entre os dois materiais, denominada banda proibida, conforme mostrado na figura 1. Figura 1 - Junção P-N de um LED. 1

2 Aplicando-se uma tensão nos terminais da junção p-n, a banda proibida se desfaz, surgindo uma corrente elétrica que flui através da junção, com os elétrons movendo-se num sentido e as lacunas em sentido contrário. Os elétrons livres possuem níveis de energia mais elevados que os das lacunas e, por isto, a combinação de um elétron com uma lacuna resulta na liberação de uma quantidade de energia emitida como radiação luminosa na forma de uma partícula sem massa, denominada fóton (PIMENTA, 2008), conforme ilustrado na figura 2. Figura 3 - Composição de um LED. Os materiais semicondutores utilizados para a construção dos LED s são Gálio (Ga), Arsênico (As), Índio (In), Fósforo (P), Alumínio (Al) e Nitrogênio (N) que combinados, produzem luz de diferentes cores e eficiências. As principais combinações de materiais são: AlInGaP (fosforeto de alumínio-índio-gálio) que produzem as cores vermelha e âmbar, e InGaN (nitreto de índio-gálio) que produzem as cores azul, verde e ciano. A radiação eletromagnética em comprimentos de onda é o que caracteriza a cor da luz emitida e, comprimentos a partir de 380nm a 770nm são visíveis ao olho humano, como mostrado na figura 4. Figura 2 - Liberação de um fóton. A energia gerada em um LED é dissipada como luz e calor. A luz é emitida a partir do chip semicondutor e irradiada em todas as direções, porém, não irradiam calor como em uma lâmpada convencional. O calor gerado é retido no interior do LED e deve ser eliminado através do dissipador de calor evitando falhas no mesmo. Os LED s não emitem radiação IV (Infravermelho) ou UV (Ultra- Violeta) na luz visível. Um LED de potência apresenta uma construção mais complexa que o modelo convencional, garantindo uma melhor performance em aplicações que necessitam de maior confiabilidade. Seu principal componente é o chip semicondutor, fixado a uma base de silício através de conexão por solda e encapsulado em silicone. Além destes componentes, possui também fios de ouro para condução da corrente elétrica, aleta de dissipação de calor e terminais anodo e catodo. Todo o conjunto é envolvido por uma lente plástica, que pode ser observado na figura 3. Figura 4 - Espectro eletromagnético. A luz branca pode ser obtida de duas maneiras, pela conversão de fósforo, no qual o chip semicondutor azul ou ultravioleta é revestido com fósforo ou pelo sistema RGB, no qual a luz proveniente de LEDs monocromáticos (vermelho, verde e azul) é misturada, resultando na luz branca (DEPARTMENT OF ENERGY: Color Quality of White LEDs, 2008). Cada maneira de produção de luz branca com LEDs tem suas 2

3 vantagens e desvantagens, apresentados na tabela 1. Tabela 1 Vantagens e desvantagens dos métodos de produção de luz branca Tecnologia Vantagens Desvantagens Conversão de Fósforo Sistema RGB - Tecnologia mais madura; - Alto volume de produção; - Fluxo luminoso relativamente alto; - Alta eficácia; - Menor custo. - Apresenta alta temperatura de cor (fria); - Pode ocorrer variação da cor. - Cada LED responde de maneira diferente a condução de corrente - Flexibilidade de cor, tanto elétrica, a temperatura de operação para luz colorida como para e tempo de funcionamento; tonalidades de branco. - Apresenta boa renderização de cor, apesar do baixo IRC (Índice de reprodução de cor). A quantidade de luz emitida por um LED é conhecida como fluxo luminoso e é medido em lumens (lm). O fluxo luminoso depende da cor e da densidade de corrente elétrica que alimenta o LED. Quanto mais corrente o chip semicondutor do LED pode administrar, mais fluxo luminoso será emitido. LEDs de alta potência podem produzir de lm com correntes de ma. Esta corrente é administrada por um dispositivo conhecido como driver, que regula a potência do LED, controlando seu brilho e intensidade e, converte a tensão de alimentação em uma tensão contínua, produzindo uma corrente contínua de saída para o LED (IESNA, 2005). A eficácia de um sistema LED é definida pelo fluxo luminoso (lumens) produzido pelo sistema dividido pela potência de entrada do sistema (Watts) e é expressa em lm/w. Para calcularmos a eficiência luminosa, utilizamos a seguinte fórmula: Utilizando um exemplo numérico, com fluxo Luminoso de 45 lm, corrente elétrica de 350 ma e tensão de 3,42 V, temos: Devido às perdas relacionadas as propriedades térmicas e as limitações de corrente, a eficiência luminosa diminui 15%, resultando em 32 lm/w. Comparando a iluminação de estado sólido (LED) com outras tecnologias de iluminação utilizadas (incandescente e fluorescente), os dados obtidos são mostrados na tabela 2. Tabela 2 - Desempenho das tecnologias de iluminação Tecnologia SSL - LED SSL - LED Incandescente Fluorescente Data Eficiência luminosa (lm/w) Fluxo luminoso (lm/lâmpada) Potência de alimentação (W/lâmpada) > ,7 6, Os LEDs por serem construídos com material semicondutor, são extremamente resistentes a vibrações mecânicas, e a umidade, porém os sistemas de iluminação de estado sólido não são, e devem ser adequadamente projetados e testados a fim de garantir sua operação em um ambiente úmido. Em iluminação de estado sólido, necessita-se de alta densidade de corrente, que acarreta em uma temperatura elevada na junção do semicondutor. Essa junção possui uma temperatura de trabalho, em torno de 60 C, que quando excedida provoca a depreciação do lúmen. Todas as fontes de luz elétrica diminuem a quantidade de luz emitida ao longo do tempo, este processo é conhecido como depreciação de lumens. As lâmpadas incandescentes perdem entre 10 e 15% da quantidade de lumens inicial ao longo das 1000 horas de vida. As lâmpadas fluorescentes comuns (CFLs) perdem até 20% da quantidade inicial de lumens durante as horas vida e as fluorescentes de alta qualidade (T8 e T5) perdem em torno de 5%. Os LED s podem emitir luz até horas, porém a quantidade de luz emitida não será suficiente para a maioria das aplicações. Hoje, os LEDs de alta potência que emitem luz branca, mantém com eficiência 70-80% do seu fluxo luminoso durante horas de vida (DEPARTMENT OF ENERGY: Lifetime of White LEDs, 2006). A figura 5 demonstra o fluxo luminoso das fontes de iluminação existente durante sua vida útil. 3

4 Figura 5 - Vida útil das fontes de iluminação. Os LEDs já podem ser vistos na paisagem urbana em múltiplas aplicações tais quais luminárias sinalizadoras de tráfego, veículos, e artefatos de comunicação visual. Já substituem as lâmpadas incandescentes nos sinais de tráfego com expressivo ganho na emissão de fluxo luminoso, baixíssimo consumo de energia e, a oportuna possibilidade de serem alimentados por baterias solares que manterão o sistema funcionando sem interrupção em eventuais ocorrências de falta de energia. Devido a sua vida longa, e sua resistência a intempéries, é utilizado em áreas externas como pontes, passarelas, escadas, contorno de estruturas, lugares de difícil acesso para manutenção. A cidade de Medellín na Colômbia realizou a 2 anos o primeiro projeto de grande expressão em iluminação urbana utilizando a tecnologia LED. A prefeitura iluminou sua praça principal utilizando LED`s brancos e azuis para a realização de eventos culturais e sociais, como pode ser visto na figura 6. Foram instalados soquetes a cada metro, ao longo de cada mastro. Estes soquetes receberam lâmpadas de LED, sendo unidades no total, representando um consumo médio anual de watts (2,5 watts cada unidade) ou dólares. Se ao contrário dos LEDs, tivessem sido adotadas lâmpadas fluorescentes, o consumo anual seria de watts, o equivalente a dólares. Isso significa que, com o uso de LEDs, ainda que a praça ficasse iluminada 24 horas por dia, o município já estaria poupando mais de 52 mil dólares por ano (Maio, 2008). Figura 6 - Praça iluminada com LEDs em Medellín na Colômbia. Resultados A iluminação de estado sólido apresenta muitas vantagens em relação às demais tecnologias como, longo tempo de vida com baixa depreciação de lumens, alta resistência a choques mecânicos, vibrações e umidade, não emissão de raios ultravioletas e infravermelhos, baixa potência com boa eficiência luminosa que a colocam como o futuro da iluminação. Discussão Os grandes fabricantes do setor têm investido de forma agressiva em iluminação de estado sólido. Nos últimos dois anos, a Philips e a GE gastaram aproximadamente um bilhão de dólares em pesquisa e desenvolvimento. Tamanho entusiasmo em relação a esta tecnologia se justifica por uma série de razões e benefícios já descritos, como, vida útil superior a 50 mil horas, correntes mais baixas, o que os torna mais seguros, produção de luz de qualquer cor e, tamanhos reduzidos, podendo ser instalados em quase qualquer lugar. Essas são vantagens importantes, mas o fator mais relevante é a eficiência energética, pois os LEDs possuem quase a mesma eficiência que a lâmpadas fluorescente, consumido bem menos energia. Conclusão Os LEDs em comparação com as demais fontes de iluminação são mais eficientes que as lâmpadas incandescentes e halógenas, porém, menos eficientes que as lâmpadas fluorescentes no que diz respeito à luz branca. Esta eficiência vem crescendo ano a ano, mas ainda existe um caminho a ser percorrido até que os LEDs sejam 4

5 considerados a principal tecnologia de iluminação, pois é preciso conseguir escala de produção e diminuir os preços elevados. Uma solução LED pode custar quase seis vezes mais que uma solução com lâmpadas dicróicas equivalentes. Ao contrário do que acontece com as lâmpadas fluorescentes, a economia na conta de energia elétrica ainda não compensa os gastos maiores na instalação. Referências IESNA - Illuminating Engineering Society of North America. Light Sources Committee. Technical Memorandum on Light Emitting Diode (LED) Sources and Systems TM New York, p. MAIO, MARIA CLARA. Economia de energia com LEDs. Revista LA_PRO, São Paulo, ed.1, p , novembro PIMENTA, JOSÉ LUIS. Uma Fonte de Luz Promissora. Revista LA_PRO, São Paulo, ed.1, p. 18, novembro SCOPACASA, VICENTE A. Introdução à Tecnologia de LED. Revista LA_PRO, São Paulo, ed.1, p. 5-10, novembro SILVESTRE, THIAGO. LED s. Revista do Meio Ambiente, 25 de março de Disponível em:< 03/25/leds/>. Acesso em: 10/03/2009. United States of America. Department of Energy. Program Building Technologies: Color Quality of White LEDs. Article: PNNL-SA-50007, United States of America. Department of Energy. Program Building Technologies: Lifetime of White LEDs. Article: PNNL-SA-50957,