O LED é um dispositivo semicondutor de dimensões reduzidas e caracteriza-se por ser fisicamente robusto, ser estável e apresenta uma boa relação entre fluxo luminoso e potência eléctrica consumida, a qual ascende a valores acima de 100 lm/W. Sendo um dispositivo monocromático, o comprimento de onda associado à sua cor está relacionado com o tipo de material usado na sua construção, [18]. A composição AlGaInP é utilizada para fabricar LEDs de cor vermelha, amarela e alguns tons de verde. Por sua vez, o AlInGaN permite fabricar LED entre o azul e os restantes tons de verde.
A aplicação de uma tensão directa numa estrutura semicondutora p-n promove a recombinação entre portadores de carga negativa e as lacunas em redor da junção, estreitando significativamente a zona de depleção, [19]. Esta recombinação consiste, na realidade, na passagem de electrões da banda de condução para a banda de valência e com isto é libertada energia na forma de fotões de luz, como se pode observar pela figura 3.1.
A quantidade de energia libertada determina o cor e a intensidade de luz, dependendo do tipo de material constituinte da junção e do potencial de band gap. O band gap representa a diferença de energia entre duas bandas (valência e condução), sendo dada habitualmente em eV (electronvolt). A energia do fotão libertado é dada por,
Recombinação
Luz Band gap
- - - - - - - - + + + + + + + + + - - - + + + + + + - - - - - - + - Zona de depleção
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(3.1)
onde h é a constante de Planck e f a frequência em hertz. A energia do fotão libertado é proporcional à sua frequência, [19].
O diagrama de radiação da luz a partir de um semicondutor é determinado pelo cone de escape que é colocado junto à zona de transição ar-semicondutor. Para isso tem-se em consideração os ângulos de reflexão internos, sendo que todos os fotões emitidos num ângulo menor que o ângulo de reflexão interna crítico (αc), são encaminhados. A Figura 3.2 ilustra um exemplo deste processo.
Figura 3.2 -Cone de escape de luz emitida.
Os índices de refracção dos semicondutores atingem valores elevados, o que se reflete em ângulos de reflexão interna críticos pequenos. Como exemplo, o índice de refracção do GaAs é de 3,4, [19]. A emissão de luz pode ser optimizada através do uso de encapsulamentos de epoxy, visto possuir um grande índice de refracção, [19]. Assim, o semicondutor fica em contacto com a epoxy e não com o ar. O uso deste tipo de encapsulamento permite também que o ângulo de saída do fluxo luminoso seja ajustado.
3.1.1. Características eléctricas do LED
As características eléctricas de um LED são semelhantes às de um díodo normal. É um componente não linear dado a relação tensão-corrente que o caracteriza, [20]. A Figura 3.3 ilustra uma característica generalista deste tipo de dispositivo semicondutor.
Fonte de emissão de luz Cone de escape
αc
Semicondutor Ar
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Figura 3.3- Curva característica de um LED.
O funcionamento ideal de um LED baseia-se num modelo linear por troços, [20]. O circuito da Figura 3.4 mostra o circuito equivalente deste modelo.
Figura 3.4 - Circuito equivalente de um díodo ideal.
Utilizando este modelo ideal, a corrente do díodo é determinada simplesmente através de
(3.2)
onde Vf corresponde à tensão de condução directa do dispositivo.
O característica real é do tipo exponencial, pelo que a expressão que permite calcular a corrente é dada por,
(3.3) onde Iss é a corrente inversa de saturação, Vd é a tensão aos terminais do díodo e VT é a tensão
térmica.
Um deles é a resistência incremental que pode ser calculada da seguinte forma, [20].
(3.4)
Outro elemento parasita é a sua capacidade. Esta capacidade pode ser divida em duas, capacidade de difusão e a capacidade de depleção, [20].
Díodo Vd [I] Região directa VBreakdown Vf [V] Região inversa
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Com isto o circuito equivalente de um díodo real será o da figura 3.5.
Figura 3.5 - Circuito equivalente de um díodo real.
Devido à variação de tensão relativamente à corrente como visto no ponto anterior, a forma ideal de fornecer energia a um LED é provocar uma corrente constante aos seus terminais.
Uma outra forma de fornecer energia a um LED, é aplicar um sinal de PWM (Pulse Width Modulation). Com a variação do duty cycle do PWM conseguimos regular a corrente média fornecida ao LED. Esta é uma forma muito usada na iluminação para fazer o dimming, que é o controlo de brilho de um LED.
Características térmicas
O aumento excessivo da temperatura da junção do LED provoca variações no fluxo luminoso e diminui a duração da vida útil do dispositivo, razão pela qual é utilizado dissipadores apropriados. A temperatura de funcionamento de um LED é poderá ser calculada a partir, [21], de
(3.5)
onde Tj é a temperatura da junção [ºC], Tps é a temperatura no ponto de solda do LED, Rth é a
resistência térmica entre a junção e o ponto de solda do LED, Vf é a tensão directa do LED e If é
corrente que o atravessa.
3.1.2. Emissão de luz de cor branca utilizando o LED
Existem várias formas de gerar luz branca usando LEDs, descritas seguidamente. Por combinação de três cores
Uma forma de gerar luz branca consiste na utilização de três LEDs distintos associados a cores primárias, designadamente o azul (440nm), o verde (525nm) e o vermelho (605nm), [19], conforme se ilustra na Figura 3.6.
Figura 3.6 - Luz branca a partir de três cores primárias.
Díodo
Req.
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Esta estrutura permite atingir níveis de CRI elevados apesar de apresentar elevada sensibilidade à temperatura. Esta sensibilidade condiciona o fluxo luminoso podendo, por isso, originar desvios na temperatura de cor, [19].
Conversão do comprimento de onda
Uma forma alternativa de obter a cor branca baseia-se na conversão do comprimento de onda emitido pelo LED com cor base. A conversão é obtida pela acção de fósforo de modo a obter fotões com um segundo comprimento de onda apropriado para que, quando misturados com os gerados pela base, formem luz branca. A Figura 3.7 mostra como isso pode ser atingido.
Figura 3.7 - Aplicação de fósforo sobre um LED base.
O LED base poderá ser de cor azul (GaInN/GaN). A Figura 3.8 apresenta a densidade espectral de potência óptica da luz emitida por um LED azul ao qual foi aplicado um conversor de comprimento de onda para o amarelo, como por exemplo fósforo.
Figura 3.8 -Comprimento de onda resultante da conversão com base em LED azul, [19].
A diversidade da temperatura de cor bem como de CRI’s é obtida através do ajuste da densidade do fósforo. Este tipo de conversão é a mais usada nos LEDs disponíveis no mercado, dado o seu elevado desempenho. LED Luminescência em tons base Fosforescência Partículas de fósforo
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