Um diodo emissor de luz ou LED[6][n 1] (também conhecido pela sigla LED, diodo emissor de luz) é uma fonte de luz composta de um material semicondutor equipado com dois terminais "Pin (eletrônicos)". Este é um diodo de junção pn, que emite luz quando ativado. Se uma tensão apropriada "Tensão (eletricidade)") for aplicada aos terminais, os elétrons se recombinam com buracos na região de junção pn do dispositivo, liberando energia na forma de fótons. Esse efeito é chamado de eletroluminescência, e a cor da luz gerada (que depende da energia dos fótons emitidos) é determinada pela largura do bandgap do semicondutor. Os LEDs são normalmente pequenos (menos de 1 mm²) e alguns componentes ópticos estão associados a eles para configurar um padrão de radiação.[8].
Os primeiros LEDs foram fabricados como componentes eletrônicos para uso prático em 1962 e emitiam luz infravermelha de baixa intensidade. Esses LEDs infravermelhos continuam a ser usados como elementos transmissores em circuitos de controle remoto, como controles remotos usados em uma ampla variedade de produtos eletrônicos de consumo. Os primeiros LEDs de luz visível também eram de baixa intensidade e limitados ao espectro vermelho. Os LEDs modernos podem cobrir comprimentos de onda dentro dos espectros visível, ultravioleta e infravermelho e atingir luminosidades muito altas.
Os primeiros LEDs foram utilizados em equipamentos eletrônicos como lâmpadas indicadoras em substituição às lâmpadas incandescentes. Eles logo foram associados a exibições numéricas na forma de indicadores alfanuméricos de sete segmentos, ao mesmo tempo em que foram incorporados aos relógios digitais. Desenvolvimentos recentes permitem agora que os LEDs sejam usados para iluminação ambiente em suas diferentes aplicações. Os LEDs permitiram o desenvolvimento de novas telas e sensores, e suas altas velocidades de comutação permitem que eles também sejam usados para tecnologias de comunicação avançadas.
Hoje, os LEDs oferecem muitas vantagens em relação às fontes convencionais de lâmpadas incandescentes ou fluorescentes, destacando-se o menor consumo de energia, maior vida útil, maior robustez física, menor tamanho, bem como a possibilidade de fabricá-los em cores muito diferentes do espectro visível de forma muito mais definida e controlada; no caso de LEDs multicoloridos, com frequência de comutação rápida.
Iluminação LED de alta eficiência
Introdução
Em geral
Um diodo emissor de luz ou LED[6][n 1] (também conhecido pela sigla LED, diodo emissor de luz) é uma fonte de luz composta de um material semicondutor equipado com dois terminais "Pin (eletrônicos)". Este é um diodo de junção pn, que emite luz quando ativado. Se uma tensão apropriada "Tensão (eletricidade)") for aplicada aos terminais, os elétrons se recombinam com buracos na região de junção pn do dispositivo, liberando energia na forma de fótons. Esse efeito é chamado de eletroluminescência, e a cor da luz gerada (que depende da energia dos fótons emitidos) é determinada pela largura do bandgap do semicondutor. Os LEDs são normalmente pequenos (menos de 1 mm²) e alguns componentes ópticos estão associados a eles para configurar um padrão de radiação.[8].
Os primeiros LEDs foram fabricados como componentes eletrônicos para uso prático em 1962 e emitiam luz infravermelha de baixa intensidade. Esses LEDs infravermelhos continuam a ser usados como elementos transmissores em circuitos de controle remoto, como controles remotos usados em uma ampla variedade de produtos eletrônicos de consumo. Os primeiros LEDs de luz visível também eram de baixa intensidade e limitados ao espectro vermelho. Os LEDs modernos podem cobrir comprimentos de onda dentro dos espectros visível, ultravioleta e infravermelho e atingir luminosidades muito altas.
Os primeiros LEDs foram utilizados em equipamentos eletrônicos como lâmpadas indicadoras em substituição às lâmpadas incandescentes. Eles logo foram associados a exibições numéricas na forma de indicadores alfanuméricos de sete segmentos, ao mesmo tempo em que foram incorporados aos relógios digitais. Desenvolvimentos recentes permitem agora que os LEDs sejam usados para iluminação ambiente em suas diferentes aplicações. Os LEDs permitiram o desenvolvimento de novas telas e sensores, e suas altas velocidades de comutação permitem que eles também sejam usados para tecnologias de comunicação avançadas.
Hoje, os LEDs oferecem muitas vantagens em relação às fontes convencionais de lâmpadas incandescentes ou fluorescentes, destacando-se o menor consumo de energia, maior vida útil, maior robustez física, menor tamanho, bem como a possibilidade de fabricá-los em cores muito diferentes do espectro visível de forma muito mais definida e controlada; no caso de LEDs multicoloridos, com frequência de comutação rápida.
Estes díodos são hoje utilizados em aplicações tão variadas que abrangem todas as áreas tecnológicas atuais, desde a Bioengenharia, Medicina e Saúde,[9] passando pela nanotecnologia e computação quântica,[10] dispositivos eletrónicos ou iluminação na engenharia mineira; Entre os mais populares estão a retroiluminação de telas de TV e computador, bem como de dispositivos móveis[11][12], luzes de navegação de aeronaves, faróis de veículos, propagandas, iluminação geral, semáforos, lâmpadas piscantes e papéis de parede luminosos. Desde o início de 2017, as lâmpadas LED para iluminação doméstica são tão ou mais baratas que as lâmpadas fluorescentes compactas, com comportamento semelhante aos LED.[13] Elas também são mais eficientes em termos energéticos e, possivelmente, seu descarte como resíduo causa menos problemas ambientais.[14][15].
História
Descoberta e primeiros dispositivos
O fenômeno da eletroluminescência foi descoberto em 1907 pelo experimentador britânico Henry Joseph Round, dos Laboratórios Marconi, usando um cristal de carboneto de silício e um detector de bigode de gato. O inventor soviético Oleg Losev relatou a construção do primeiro LED em 1927. Sua pesquisa apareceu em revistas científicas soviéticas, alemãs e britânicas, mas a descoberta só foi posta em prática várias décadas depois. Kurt Lehovec, Carl Accardo e Edward Jamgochian interpretaram o mecanismo desses primeiros diodos LED em 1951, utilizando um aparelho que utilizava cristais de carboneto de silício, com gerador de pulsos e fonte de alimentação, e em 1953 com uma variante pura do cristal.
Rubin Braunstein da RCA relatou em 1955 sobre a emissão infravermelha do arsenieto de gálio (GaAs) e outras ligas semicondutoras. Braunstein observou que essa emissão foi gerada em diodos construídos a partir de ligas de antimoneto de gálio (GaSb), arsenieto de gálio (GaAs), fosfeto de índio (InP) e silício-germânio (SiGe) à temperatura ambiente e 77 Kelvin.
Em 1957, Braunstein também demonstrou que esses dispositivos rudimentares poderiam ser usados para estabelecer comunicação sem rádio em distâncias curtas. Como Kroemer aponta, Braunstein estabeleceu uma linha muito simples de comunicações ópticas:[18] ele pegou música de um toca-discos e a processou usando a eletrônica apropriada para modular a corrente contínua produzida por um diodo de arsenieto de gálio GaAs. A luz emitida pelo diodo GaAS foi capaz de sensibilizar um diodo de sulfeto de chumbo PbS "sulfeto de chumbo (II)") localizado a uma certa distância. O sinal assim gerado pelo diodo PbS foi introduzido em um amplificador de áudio e transmitido através de um alto-falante. Quando o feixe de luz foi interceptado entre os dois LEDs, a música parou. Esta montagem já prenunciava o uso de LEDs para comunicações ópticas.
Em setembro de 1961, James R. Biard e Gary Pittman, trabalhando na Texas Instruments (TI) em Dallas, Texas, descobriram radiação infravermelha (900 nm) de um diodo túnel que eles construíram usando um substrato de arsenieto de gálio (GaAs). Em outubro de 1961, eles demonstraram emissões de luz eficientes e acoplamento de sinal entre a junção pn do arsenieto. de gálio emissor de luz e um fotodetector eletricamente isolado construído a partir de um material semicondutor. Com base em suas descobertas, em 8 de agosto de 1962, Biard e Pittman produziram uma patente intitulada “Diodo radiante semicondutor” que descreveu como uma liga de zinco difundida durante o crescimento do cristal que forma o substrato de uma junção de LED p-n com um contato de cátodo suficientemente espaçado, permitiu a emissão eficiente de luz infravermelha em contato direto polarização.
Tendo em vista a importância de suas pesquisas, tal como aparecia em seus cadernos de engenharia e antes mesmo de comunicar seus resultados dos laboratórios da General Electric, Radio Corporation of America, IBM, Bell Laboratories ou do Lincoln Laboratory do Massachusetts Institute of Technology, o Escritório de Marcas e Patentes dos Estados Unidos concedeu-lhes uma patente para a invenção de diodos emissores de luz infravermelha de arsenieto de gálio (patente US3293513A dos EUA),[22] que são considerados os primeiros LEDs para uso prático. Imediatamente após o depósito da patente, a TI iniciou um projeto para fabricar os diodos infravermelhos. Em outubro de 1962, a Texas Instruments desenvolveu o primeiro LED comercial (o SNX-100), que usava um cristal de arseneto de gálio puro para emitir luz de 890 nm. Em outubro de 1963, a TI lançou o primeiro LED hemisférico comercial, o SNX-110.[23].
O primeiro LED com emissão no espectro visível (vermelho) foi desenvolvido em 1962 por Nick Holonyak Jr. quando trabalhava na General Electric. Holonyak relatou na revista Applied Physics Letters em 1º de dezembro de 1962. telecomunicações através de fibras ópticas. Para tanto, descobriu novos materiais semicondutores expressamente adaptados aos comprimentos de onda da referida transmissão através de fibras ópticas.[26].
Desenvolvimento inicial de negócios
Os primeiros LEDs comerciais foram geralmente usados para substituir lâmpadas incandescentes e lâmpadas indicadoras de néon, bem como em displays de sete segmentos.[27] Primeiro em equipamentos caros, como equipamentos eletrônicos e de testes de laboratório, e mais tarde em outros dispositivos elétricos, como televisores, rádios, telefones, calculadoras, bem como relógios de pulso. Até 1968, os LEDs visíveis e infravermelhos eram extremamente caros, da ordem de US$ 200 por unidade, por isso tinham pouco uso prático.[28] A Monsanto Company foi a primeira a produzir LEDs visíveis em massa, usando fosfeto de arsenieto de gálio (GaAsP) em 1968 para produzir LEDs vermelhos para indicadores.[28].
A Hewlett-Packard (HP) introduziu LEDs em 1968, inicialmente usando GaAsP fornecido pela Monsanto. Esses LEDs vermelhos eram brilhantes o suficiente para serem usados como indicadores, já que a luz emitida não era suficiente para iluminar uma área. As leituras nas calculadoras eram tão fracas que foram colocadas lentes de plástico sobre cada dígito para torná-los legíveis. Posteriormente, outras cores surgiram e foram amplamente utilizadas em gadgets e equipamentos. Na década de 1970, a Fairchild Optoelectronics fabricou dispositivos LED comercialmente bem-sucedidos por menos de cinco centavos cada. Esses dispositivos usavam chips semicondutores compostos fabricados usando o processo planar inventado por Jean Hoerni da Fairchild Semiconductor.[29][30] O processamento planar para fabricação de chips combinado com métodos de encapsulamento inovadores permitiu que a equipe liderada pelo pioneiro da optoeletrônica Thomas Brandt alcançasse as reduções de custos necessárias na Fairchild.[31] Esses métodos continuam a ser usados pelos fabricantes de LED.[32].
A maioria dos LEDs foi fabricada em pacotes típicos de 5 mm T1¾ e 3 mm T1, mas com o aumento da produção de energia, tornou-se cada vez mais necessário remover o excesso de calor para manter a confiabilidade.[33] Portanto, foi necessário projetar pacotes mais complexos projetados para obter uma dissipação de calor eficiente. Os encapsulamentos usados atualmente para LEDs de alta potência têm pouca semelhança com os dos primeiros LEDs.
led azul
Os LEDs azuis foram desenvolvidos pela primeira vez por Henry Paul Maruska da RCA em 1972 usando nitreto de gálio (GaN) em um substrato de safira.[34][35]
LEDs do tipo SiC (fabricados com carboneto de silício) começaram a ser comercializados pela Cree, Inc., Estados Unidos, em 1989.[36] No entanto, nenhum desses LEDs azuis era muito brilhante.
O primeiro LED azul de alto brilho foi apresentado por Shuji Nakamura da Nichia Corp. em 1994, a partir do material Nitreto de Índio-Gálio (InGaN). Por suas pesquisas, Nakamura, Akasaki e Amano receberam o Prêmio Nobel de Física.[39][40] Em 1995, Alberto Barbieri do laboratório da Universidade de Cardiff (Reino Unido) investigou a eficiência e confiabilidade de LEDs de alto brilho e como resultado da pesquisa obteve um LED com eletrodo de contato transparente usando óxido de índio e estanho (ITO) em fosfeto de alumínio-gálio-índio e arsenieto de gálio.
Em 2001[41] e 2002[42] foram realizados processos para cultivar LEDs de nitreto de gálio em silício. Como consequência destas investigações, em janeiro de 2012, a Osram lançou LEDs de nitreto de gálio-índio de alta potência cultivados num substrato de silício.[43].
LED branco e evolução
A obtenção de alta eficiência em LEDs azuis foi rapidamente seguida pelo desenvolvimento do primeiro LED branco. Em tal dispositivo, um “fósforo” de revestimento Y Al O: Ce (material fluorescente) (conhecido como YAG ou granada de ítrio-alumínio) absorve parte da emissão azul e gera luz amarela por fluorescência. De forma semelhante, é possível introduzir outros “fósforos” que geram luz verde ou vermelha por fluorescência. A mistura resultante de vermelho, verde e azul é percebida pelo olho humano como branca; Por outro lado, não seria possível apreciar objetos vermelhos ou verdes iluminando-os com o fósforo YAG, uma vez que este gera apenas luz amarela juntamente com um remanescente de luz azul.
Os primeiros LEDs brancos eram caros e ineficientes. No entanto, a intensidade da luz produzida pelos LEDs aumentou exponencialmente, com um tempo de duplicação ocorrendo aproximadamente a cada 36 meses desde a década de 1960 (de acordo com a Lei de Moore). Esta tendência é geralmente atribuída a um desenvolvimento paralelo de outras tecnologias de semicondutores e aos avanços na óptica e na ciência dos materiais, e foi chamada de lei de Haitz em homenagem a Roland Haitz.
A emissão de luz e a eficiência dos LEDs azuis e quase ultravioleta aumentaram, enquanto o custo dos dispositivos de iluminação fabricados com eles diminuiu, o que levou ao uso de LEDs de luz branca para iluminação. O fato é que eles estão substituindo a iluminação incandescente e fluorescente.[45][46].
Os LEDs brancos podem produzir 300 lúmens por watt elétrico e durar até 100.000 horas. Em comparação com as lâmpadas incandescentes, isto representa não apenas um enorme aumento na eficiência elétrica, mas também um custo semelhante ou inferior por lâmpada.[47].
Princípio de funcionamento
Uma junção PN pode fornecer uma corrente elétrica quando iluminada. Da mesma forma, uma junção PN atravessada por uma corrente contínua pode emitir fótons de luz. Existem duas maneiras de considerar o fenômeno da eletroluminescência. No segundo caso, isto poderia ser definido como a emissão de luz por um semicondutor quando sujeito a um campo elétrico. Os portadores de carga se recombinam em uma junção PN polarizada diretamente. Especificamente, os elétrons na região N cruzam a barreira de potencial e se recombinam com as lacunas na região P. Os elétrons livres estão na banda de condução enquanto as lacunas estão na banda de valência. Desta forma, o nível de energia dos buracos é inferior ao dos elétrons. Quando elétrons e buracos se recombinam, uma fração da energia é emitida na forma de calor e outra fração na forma de luz.
O fenômeno físico que ocorre em uma junção PN quando a corrente passa em polarização direta consiste, portanto, em uma sucessão de recombinações elétron-buraco. O fenômeno da recombinação é acompanhado pela emissão de energia. Nos diodos comuns de germânio ou silício, são produzidos fônons ou vibrações da estrutura cristalina do semicondutor que simplesmente contribuem para o seu aquecimento. No caso dos diodos LED, os materiais semicondutores são diferentes dos anteriores, por exemplo, sendo várias ligas do tipo III-V como arsenieto de gálio (AsGa), fosfeto de gálio") (PGa) ou fosfoarsenieto de gálio (PAsGa).
Nestes semicondutores, as recombinações que se desenvolvem nas junções PN eliminam o excesso de energia através da emissão de fótons de luz. A cor da luz emitida depende diretamente do seu comprimento de onda e é característica de cada liga específica. Atualmente, são fabricadas ligas que produzem fótons luminosos com comprimentos de onda em uma ampla faixa do espectro eletromagnético dentro do visível, infravermelho próximo e ultravioleta próximo. O que se consegue com esses materiais é modificar a largura de energia do bandgap, modificando assim o comprimento de onda do fóton emitido. Se o diodo LED estiver polarizado reversamente, o fenômeno de recombinação não ocorrerá, portanto não emitirá luz. A polarização reversa pode danificar o diodo.
O comportamento elétrico do diodo LED na polarização direta é o seguinte. Se a tensão de polarização for aumentada, a partir de um determinado valor (que depende do tipo de material semicondutor), o LED começa a emitir fótons, a tensão de ligação foi atingida. Os elétrons podem se mover através da junção aplicando diferentes voltagens aos eletrodos; Assim, inicia-se a emissão de fótons e à medida que a tensão de polarização aumenta, a intensidade da luz emitida aumenta. Este aumento na intensidade luminosa está associado ao aumento na intensidade da corrente e pode ser diminuído pela recombinação Auger. Durante o processo de recombinação, o elétron salta da banda de condução para a banda de valência, emitindo um fóton e acessando, por conservação de energia e momento, um nível de energia inferior, abaixo do nível de Fermi do material. O processo de emissão é denominado recombinação radiativa, que corresponde ao fenômeno da emissão espontânea. Assim, em cada recombinação radiativa elétron-buraco, é emitido um fóton de energia igual à largura em energias do bandgap:.
onde c é a velocidade da luz e f e λ são a frequência e o comprimento de onda, respectivamente, da luz que ela emite. Esta descrição da base da emissão de radiação eletromagnética pelo diodo LED pode ser vista na figura onde é feita uma representação esquemática da junção PN do material semicondutor juntamente com o diagrama de energia, envolvido no processo de recombinação e emissão de luz, na parte inferior do desenho. O comprimento de onda da luz emitida e, portanto, sua cor, depende da largura do bandgap de energia. Os substratos mais importantes disponíveis para aplicação em emissão de luz são GaAs e InP. Os diodos LED podem reduzir sua eficiência se seus picos de absorção e emissão espectral dependendo de seu comprimento de onda forem muito próximos, como é o caso dos LEDs GaAs:Zn (arseneto de gálio dopado com zinco), pois parte da luz que eles emitem é absorvida internamente.
Os materiais utilizados para LEDs possuem um band gap na polarização direta cuja largura em energias varia da luz infravermelha à luz visível ou mesmo à luz ultravioleta próxima. A evolução dos LEDs começou com dispositivos infravermelhos e de arsenieto de gálio vermelho. Os avanços na ciência dos materiais tornaram possível a fabricação de dispositivos com comprimentos de onda cada vez mais curtos, emitindo luz em uma ampla gama de cores. Os LEDs são geralmente fabricados sobre um substrato tipo N, com um eletrodo conectado à camada tipo P depositada em sua superfície. Substratos do tipo P, embora menos comuns, também são fabricados.
Tecnologia
Fundação física
Um LED começa a emitir quando uma tensão de 2-3 volts é aplicada a ele. Na polarização reversa, um eixo vertical diferente é usado na polarização direta para mostrar que a corrente absorvida é praticamente constante com a tensão até que ocorra a ruptura.
O LED é um diodo constituído por um chip semicondutor dopado "Doping (semicondutores)") com impurezas que criam uma junção PN. Como em outros diodos, a corrente flui facilmente do lado p, ou ânodo, para o lado n, ou cátodo, mas não na direção oposta. Portadores de carga (elétrons e lacunas) fluem para a junção a partir de dois eletrodos ajustados em tensões diferentes (tensão (eletricidade)). Quando um elétron se recombina com uma lacuna, seu nível de energia cai e o excesso de energia é liberado na forma de um fóton. O comprimento de onda da luz emitida e, portanto, a cor do LED, depende da largura de energia do bandgap correspondente aos materiais que compõem a junção pn.
Nos diodos de silício ou germânio, elétrons e buracos se recombinam, gerando uma transição não radiativa, que não produz nenhuma emissão de luz, por serem materiais semicondutores com bandgap indireto. Os materiais utilizados nos LEDs possuem um bandgap direto com uma largura de energia que corresponde ao espectro de luz do infravermelho próximo (800-2500 nm), do visível e do ultravioleta próximo (200-400 nm).
O desenvolvimento dos LEDs começou com dispositivos de luz vermelha e infravermelha, feitos com arseneto de gálio (GaAs). Os avanços na ciência dos materiais tornaram possível a construção de dispositivos com comprimentos de onda cada vez menores, emitindo luz em uma ampla gama de cores.
Os LEDs são geralmente feitos de um substrato tipo n, com um dos eletrodos ligado à camada tipo p depositada em sua superfície. Substratos do tipo P também são usados, embora sejam menos comuns. Muitos LEDs comerciais, especialmente GaN/InGaN, também usam safira (óxido de alumínio) como substrato.
A maioria dos materiais semicondutores utilizados na fabricação de LEDs possui um índice de refração muito alto. Isto implica que a maior parte da luz emitida no interior do semicondutor é refletida quando atinge a superfície externa que está em contato com o ar por um fenômeno de reflexão interna total. A extracção de luz constitui, portanto, um aspecto muito importante e em constante investigação e desenvolvimento a ter em consideração na produção de LEDs.
índice de refração
A maioria dos materiais semicondutores utilizados na fabricação de LEDs possuem um índice de refração muito alto em relação ao ar. Isto implica que a maior parte da luz emitida no interior do semicondutor será refletida quando atingir a superfície externa que está em contato com o ar por um fenômeno de reflexão interna total.
Este fenômeno afeta tanto a eficiência de emissão de luz dos LEDs quanto a eficiência de absorção de luz das células fotovoltaicas. O índice de refração do silício é 3,96 (a 590 nm),[48] enquanto o do ar é 1,0002926.[48] A extração de luz constitui, portanto, um aspecto muito importante e em constante pesquisa e desenvolvimento a ser levado em consideração na produção de LEDs.
Em geral, um chip semicondutor LED de superfície plana não revestido emitirá luz apenas na direção perpendicular à superfície do semicondutor e em direções muito próximas, formando um cone chamado cone de luz[49] ou cone de escape.[50] O ângulo máximo de incidência que permite que os fótons escapem do semicondutor é conhecido como ângulo crítico. Quando este ângulo é excedido, os fótons não escapam mais do semicondutor, mas são refletidos dentro do cristal semicondutor como se houvesse um espelho na superfície externa.[50].
Devido à reflexão interna, a luz que foi refletida internamente em uma face pode escapar através de outras faces do cristal se o ângulo de incidência agora se tornar suficientemente baixo e o cristal for suficientemente transparente para não refletir a emissão de fótons de volta para dentro. No entanto, em um LED cúbico simples com superfícies externas a 90 graus, todas as faces atuam como espelhos com ângulos iguais. Neste caso, a maior parte da luz não consegue escapar e é perdida como calor dentro do cristal semicondutor.[50].
Um chip que possui facetas angulares em sua superfície semelhantes às de uma joia lapidada ou de uma lente Fresnel pode aumentar a saída de luz, permitindo sua emissão em orientações perpendiculares às facetas externas do chip, normalmente mais numerosas do que as únicas seis em uma amostra cúbica.
A forma ideal de um semicondutor para obter a máxima emissão de luz seria a de uma microesfera") com a emissão dos fótons localizada exatamente no centro dela, e equipada com eletrodos que penetram no centro para se conectar com o ponto de emissão. Todos os raios de luz que partem do centro seriam perpendiculares à superfície da esfera, o que não resultaria em reflexões internas. Um semicondutor hemisférico também funcionaria corretamente, pois a parte plana funcionaria como um espelho para refletir os fótons para que toda a luz poderia ser emitido completamente através do hemisfério.[52].
Depois de construir um wafer "Wafer (eletrônico)") de material semicondutor, ele é cortado em pequenos fragmentos. Cada fragmento é chamado de chip e se torna a pequena parte ativa de um diodo LED emissor de luz.
Muitos chips semicondutores de LED são encapsulados ou incorporados em invólucros de plástico moldado. O invólucro de plástico visa atingir três propósitos:
Facilitar a montagem do chip semicondutor em dispositivos de iluminação.
Proteja a frágil fiação elétrica associada ao diodo contra danos físicos.
Atuar como elemento intermediário para o efeito de refração entre o alto índice do semicondutor e o do ar.
A terceira característica contribui para aumentar a emissão de luz do semicondutor por atuar como uma lente difusora, permitindo que a luz seja emitida para o exterior com um ângulo de incidência na parede externa muito maior que o do cone estreito de luz proveniente do chip não revestido.
Eficiência e parâmetros operacionais
Os LEDs são projetados para operar com energia elétrica não superior a 30-60 miliwatts (mW). Por volta de 1999, a Philips Lumileds introduziu LEDs mais potentes, capazes de funcionar continuamente com uma potência de um watt. Esses LEDs usavam semicondutores cortados muito maiores para aceitar fontes de alimentação mais altas. Além disso, foram montados em hastes metálicas para facilitar a remoção de calor.
Uma das principais vantagens das fontes de iluminação baseadas em LED é a elevada eficiência luminosa. Os LEDs brancos rapidamente igualaram e até superaram a eficiência dos sistemas de iluminação incandescente padrão. Em 2002, a Lumileds fabricou LEDs de cinco watts, com eficiência luminosa de 18-22 lúmens por watt (lm/W). Para efeito de comparação, uma lâmpada incandescente convencional de 60-100 watts emite cerca de 15 lm/W, e as lâmpadas fluorescentes padrão emitem até 100 lm/W.
Em 2012, Future Lighting Solutions "alcançou as seguintes eficiências para algumas cores. Os valores de eficiência mostram a potência luminosa produzida por watt de energia elétrica de entrada. Os valores de eficiência luminosa incluem as características do olho humano e foram deduzidos da função de luminosidade.
Em setembro de 2003, a Cree Inc." fabricou um novo tipo de LED azul que consumiu 24 miliwatts (mW) a 20 miliamperes (mA). Isso permitiu um novo encapsulamento de luz branca que produziu 65 lm/W a 20 miliamperes, tornando-o o LED branco mais brilhante disponível no mercado; também foi mais de quatro vezes mais eficiente do que as lâmpadas incandescentes padrão. Em 2006, eles introduziram um protótipo de LED branco com uma eficiência luminosa recorde de 131 lm/W para uma corrente de 20 miliamperes) desenvolveu um LED branco com eficiência luminosa de 150 lm/W e corrente contínua de 20 mA. Os LEDs da empresa Cree Inc., chamados xlamp xm-L, chegaram ao mercado em 2011, produzindo 100 lm/W na potência máxima de 10 W, e até 160 lm/W com uma potência elétrica de entrada de cerca de 2 W. Em 2012, a Cree Inc. 2014.[56] Na prática, as necessidades gerais de iluminação exigem LEDs de alta potência, um watt ou mais. Eles operam com correntes superiores a 350 miliamperes.
Essas eficiências referem-se à luz emitida pelo diodo mantido em baixa temperatura no laboratório. Como os LEDs, uma vez instalados, operam em altas temperaturas e com perdas de condução, a eficiência é, na verdade, muito menor. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) realizou testes para substituir lâmpadas incandescentes ou CFLs por lâmpadas LED, mostrando que a eficiência média alcançada é de cerca de 46 lm/W em 2009 (o comportamento durante os testes permaneceu dentro de uma faixa de 17 lm/W a 79 lm/W).[57].
Quando a corrente elétrica fornecida a um LED ultrapassa algumas dezenas de miliamperes, a eficiência luminosa diminui devido a um efeito denominado perda de eficiência.
Análise de meia-vida e falhas
Dispositivos de estado sólido, como LEDs, têm obsolescência muito limitada se operados em baixas correntes e baixas temperaturas. A vida útil é de 25.000 a 100.000 horas, mas a influência do calor e da corrente pode aumentar ou diminuir significativamente esse tempo.[66].
A falha mais comum dos LEDs (e diodos laser) é a redução gradual da emissão de luz e a perda de eficiência. Os primeiros LEDs vermelhos destacaram-se pela curta vida útil. Com o desenvolvimento de LEDs de alta potência, os dispositivos estão sujeitos a temperaturas de junção mais altas e densidades de corrente mais altas do que os dispositivos tradicionais. Isso causa tensão no material e pode causar degradação precoce da saída de luz. Para classificar quantitativamente a vida útil de forma padronizada, sugeriu-se a utilização dos parâmetros L70 ou L50, que representam os tempos de vida (expressos em milhares de horas) em que um determinado LED atinge 70% e 50% da emissão luminosa inicial, respectivamente.[67].
Tal como na maioria das fontes de luz anteriores (lâmpadas incandescentes, lâmpadas de descarga e aquelas que queimam combustível, por exemplo velas e lamparinas a óleo), a luz era gerada por um processo térmico, os LED só funcionam corretamente se forem mantidos suficientemente frios. O fabricante geralmente especifica uma temperatura máxima de junção entre 125 e 150°C, e temperaturas mais baixas são recomendadas no interesse de alcançar vida longa para os LEDs. A estas temperaturas, relativamente pouco calor é perdido através da radiação, o que significa que o feixe de luz gerado por um LED é considerado frio.
O calor residual em um LED de alta potência (que a partir de 2015 pode ser considerado menos da metade da energia elétrica que consome) é transportado por condução através do substrato e encapsulamento para um dissipador de calor, que remove o calor para o ambiente por convecção. É portanto essencial realizar um design térmico cuidadoso, tendo em conta as resistências térmicas do encapsulamento do LED, do dissipador de calor e da interface entre os dois. Os LEDs de média potência são normalmente projetados para serem soldados diretamente a uma placa de circuito impresso que possui uma camada de metal termicamente condutora. LEDs de alta potência são encapsulados em embalagens cerâmicas de grande área superficial projetadas para serem conectadas a um dissipador de calor metálico, sendo a interface um material com alta condutividade térmica (pasta térmica, material de mudança de fase, almofada térmica condutora) ou cola quente).
Se uma lâmpada LED for instalada em uma luminária sem ventilação, ou se o ambiente não tiver circulação de ar fresco, os LEDs poderão superaquecer, reduzindo sua vida útil ou até mesmo causando deterioração precoce da luminária. O projeto térmico normalmente é projetado para uma temperatura ambiente de 25°C (77°F). Os LEDs usados em aplicações externas, como sinais de trânsito ou luzes de marcação de pavimentos, e em climas onde a temperatura dentro da luminária é muito alta, podem sofrer qualquer coisa, desde uma saída luminosa reduzida até uma falha completa.[68].
Cores e materiais
Contenido
Los ledes convencionales están fabricados a partir de una gran variedad de materiales semiconductores inorgánicos. En la siguiente tabla se muestran los colores disponibles con su margen de longitudes de onda, diferencias de potencial de trabajo y materiales empleados.
Azul e ultravioleta
O primeiro LED azul-violeta usou cloro dopado com magnésio e foi desenvolvido por Herb Maruska e Wally Rhines na Universidade de Stanford em 1972, estudantes de doutorado em ciência e engenharia de materiais. Naquela época Maruska trabalhava nos laboratórios RCA, onde colaborou com Jacques Pankove. Em 1971, um ano depois de Maruska ter partido para Stanford, seus colegas da RCA Pankove e Ed Miller demonstraram a primeira eletroluminescência azul de zinco dopado com nitreto de gálio; No entanto, o dispositivo que Pankove e Miller construíram, o primeiro verdadeiro diodo emissor de luz de nitreto de gálio, emitiu luz verde. Em 1974, o Escritório de Patentes dos EUA concedeu a Maruska, Rhines e ao professor de Stanford David Stevenson uma patente (patente dos EUA US3819974 A) [85] para seu trabalho de 1972 sobre dopagem de nitreto de gálio com magnésio que hoje continua a ser a base de todos os LEDs azuis comerciais e diodos laser. Esses dispositivos construídos na década de 1970 não tinham saída luminosa suficiente para uso prático, então a pesquisa sobre diodos de nitreto de gálio desacelerou. Em agosto de 1989, Cree introduziu o primeiro LED azul comercial com uma transição indireta através do bandgap em um semicondutor de carboneto de silício (SiC).[86][87] Os LEDs de SiC têm uma eficiência luminosa muito baixa, não mais que 0,03%, mas emitem na região azul visível.
No final da década de 1980, avanços no crescimento epitaxial e na dopagem do tipo p em GaN inauguraram a era moderna dos dispositivos optoeletrônicos de GaN. Com base no acima exposto, Theodore Moustakas patenteou um método de produção de LEDs azuis na Universidade de Boston usando um novo processo de duas etapas. Dois anos depois, em 1993, LEDs azuis de alta intensidade foram adquiridos por Shuji Nakamura da Nichia Corporation usando processos de síntese de GaN semelhantes aos de Moustakas. Moustakas e Nakamura receberam patentes separadas, levando a conflitos jurídicos entre eles. Nichia e a Universidade de Boston (especialmente porque, embora Moustakas tenha inventado seu processo primeiro, Nakamura registrou o seu antes). Este novo desenvolvimento revolucionou a iluminação LED, tornando mais rentável o fabrico de fontes de luz azul de alta potência, levando ao desenvolvimento de tecnologias como o Blu-ray e permitindo ecrãs brilhantes e de alta resolução de tablets e telefones modernos.
Nakamura recebeu o Prêmio Millennium Technology por sua contribuição à tecnologia LED de alta potência e alto desempenho. Ele também recebeu, junto com Hiroshi Amano e Isamu Akasaki, o Prêmio Nobel de Física em 2014 por sua contribuição decisiva para LEDs de alto desempenho e LEDs azuis. [97]
No final da década de 90, já existiam LEDs azuis. Eles apresentam uma região ativa que consiste em um ou mais poços quânticos de InGaN imprensados entre folhas mais espessas de GaN, chamadas bainhas. Ao variar a fração In/Ga nos poços quânticos InGaN, a emissão de luz pode, em teoria, ser alterada de violeta para âmbar. O nitreto de alumínio e gálio AlGaN com conteúdo variável da fração Al/Ga pode ser usado para fabricar a bainha e as folhas de poços quânticos para diodos UV, mas esses dispositivos ainda não atingiram o nível de eficiência e maturidade tecnológica dos dispositivos InGaN/GaN azuis/verdes. Se o GaN for utilizado sem dopagem, para formar as camadas ativas dos poços quânticos o dispositivo emite luz próxima do ultravioleta com pico centrado em comprimento de onda em torno de 365 nm. Os LED verdes fabricados no modo InGaN/GaN são muito mais eficientes e brilhantes do que os LEDs produzidos com sistemas sem nitreto, mas estes dispositivos ainda têm uma eficiência muito baixa para aplicações de alto brilho.
Usando nitretos de alumínio, como AlGaN e AlGaInN, comprimentos de onda ainda mais curtos são alcançados. Uma gama de LEDs UV para diferentes comprimentos de onda está começando a ser disponibilizada no mercado. LEDs com emissão próxima de UV com comprimentos de onda em torno de 375-395 nm já são suficientemente baratos e podem ser facilmente encontrados, por exemplo, para substituir lâmpadas de luz negra na inspeção de marcas d'água UV anti-falsificação em alguns documentos e em papel-moeda. Diodos de comprimento de onda mais curtos (até 240 nm),[98] estão atualmente no mercado, embora sejam visivelmente mais caros.
Como a fotossensibilidade dos microrganismos coincide aproximadamente com o espectro de absorção do DNA (com pico em torno de 260 nm), espera-se a utilização de LEDs UV com emissão na região de 250-270 nm em equipamentos de desinfecção e esterilização. Pesquisas recentes mostraram que LEDs UV disponíveis comercialmente (365 nm) são eficazes em dispositivos de desinfecção e esterilização. Os comprimentos de onda UV-C foram obtidos em laboratórios usando nitreto de alumínio (210 nm), nitreto de boro (215 nm) e diamante (235 nm).
RGB
Os LEDs RGB consistem em um LED vermelho, um azul e um verde. Ao ajustar independentemente cada um deles, os LEDs RGB são capazes de produzir uma ampla gama de cores. Ao contrário dos LEDs dedicados a uma única cor, os LEDs RGB não produzem comprimentos de onda puros. Além disso, os módulos disponíveis comercialmente normalmente não são otimizados para misturas suaves de cores.
Sistemas RGB
Sistemas RGB.
Existem duas maneiras básicas de produzir luz branca. Uma delas é usar LEDs individuais que emitem as três cores primárias (vermelho, verde e azul) e depois misturar as cores para formar a luz branca. A outra maneira é usar um fósforo para converter a luz monocromática de um LED azul ou UV em um amplo espectro de luz branca. É importante ter em mente que a brancura da luz produzida é essencialmente concebida para satisfazer o olho humano e dependendo de cada caso pode nem sempre ser apropriado pensar que se trata de luz estritamente branca. A grande variedade de brancos que se conseguem com as lâmpadas fluorescentes serve de referência.
Existem três métodos principais de produção de luz branca com LEDs.
• - LED azul + LED verde + LED vermelho (mistura de cores; embora possa ser usado como retroiluminação de telas) para iluminação são muito ruins devido aos intervalos vazios no espectro de frequência).
• - LED UV próximo ou fósforo UV + RGB (uma luz LED que gera um comprimento de onda menor que o azul é usada para excitar um fósforo RGB).
• - LED azul + fósforo amarelo (duas cores complementares se combinam para produzir luz branca; é mais eficiente que os dois primeiros métodos e, portanto, mais utilizado na prática).
Devido ao metamerismo "Metamerismo (cor)"), é possível ter diferentes espectros que aparecem em branco. No entanto, a aparência dos objetos iluminados por essa luz pode ser modificada conforme o espectro varia. Este fenômeno óptico é conhecido como execução de cor, é diferente da temperatura da cor e faz com que um objeto verdadeiramente laranja ou ciano pareça ser de outra cor e muito mais escuro, pois o LED ou o fósforo associado não emite esses comprimentos de onda. A melhor reprodução de cores com CFL e LED é obtida usando uma mistura de fósforos, que proporciona menor eficiência, mas melhor qualidade de luz. Embora o halogênio com a temperatura de cor mais alta seja o laranja, ainda é a melhor fonte de luz artificial disponível em termos de execução de cores.
A luz branca pode ser produzida adicionando luzes de cores diferentes; O método mais comum é o uso de vermelho, verde e azul (RGB). Portanto, o método é chamado de LEDs brancos multicoloridos (às vezes conhecidos como LEDs RGB). Porque exigem circuitos eletrônicos para controlar a mistura e difusão de cores diferentes, e porque os LEDs de cores individuais têm padrões de emissão ligeiramente diferentes (levando à variação de cores dependendo da direção de visualização), mesmo se fabricados em uma única unidade, eles raramente são usados para produzir luz branca. Porém, este método tem muitas aplicações pela flexibilidade que apresenta na produção de mistura de cores[100] e, em princípio, por oferecer maior eficiência quântica na produção de luz branca.
Existem vários tipos de LEDs brancos multicoloridos: LEDs brancos di-, tri- e tetracromáticos. Vários factores-chave influenciam estas diferentes realizações, tais como a estabilidade da cor, o índice de reprodução de cor natural e a eficiência luminosa. Frequentemente, uma maior eficiência luminosa implicará uma menor naturalidade da cor, criando assim um compromisso entre a eficiência luminosa e a naturalidade das cores. Por exemplo, os LED brancos dicromáticos têm a melhor eficiência luminosa (120 lm/W), mas a menor capacidade de reprodução de cores. Por outro lado, os LED tetracromáticos brancos oferecem excelente capacidade de reprodução de cores, mas são frequentemente acompanhados de baixa eficiência luminosa. Os LED brancos tricromáticos encontram-se numa posição intermédia, apresentam boa eficiência luminosa (> 70 lm/W) e razoável capacidade de reprodução de cores.
LEDs à base de fósforo
Este método envolve o revestimento de LEDs de uma cor (principalmente LEDs InGaN azuis) com fósforos de cores diferentes para produzir luz branca; Os LEDs resultantes da combinação são chamados de LEDs brancos à base de fósforo ou LEDs brancos com conversor de fósforo (PCLED). Uma fração da luz azul sofre o deslocamento de Stokes, que transforma comprimentos de onda mais curtos em comprimentos de onda mais longos. Dependendo da cor do LED original, podem ser utilizados fósforos de cores diferentes. Se forem aplicadas várias camadas de fósforos de cores diferentes, o espectro de emissão é ampliado, aumentando efetivamente o valor do índice de reprodução de cores (CRI) de um determinado LED.
As perdas de eficiência dos LEDs à base de fósforo (com substâncias fluorescentes) devem-se às perdas de calor geradas pelo deslocamento de Stokes e também a outros problemas de degradação relacionados com as referidas substâncias fluorescentes. Em comparação com os LEDs normais, as suas eficiências luminosas dependem da distribuição espectral da saída de luz resultante e do comprimento de onda original do próprio LED. Por exemplo, a eficiência luminosa de um fósforo YAG amarelo típico de um LED branco é de 3 a 5 vezes a eficiência luminosa do LED azul original, devido à maior sensibilidade do olho humano para a cor amarela do que para a cor azul (dependendo do modelo de função de luminosidade). Devido à simplicidade de sua fabricação, o método do fósforo (material fluorescente) continua sendo o mais popular para obter LEDs brancos de alta intensidade. O projeto e a produção de uma fonte de luz ou lâmpada usando um emissor monocromático com conversão de fósforo fluorescente é mais simples e barato do que um sistema RGB complexo, e a maioria dos LEDs brancos de alta intensidade no mercado hoje são fabricados usando conversão de luz fluorescente.
Entre os desafios que surgem para melhorar a eficiência das fontes de luz branca baseadas em LED está o desenvolvimento de substâncias fluorescentes mais eficientes (fósforos). A partir de 2010, o fósforo amarelo mais eficiente continua a ser o fósforo YAG, que tem uma perda por deslocamento de Stokes inferior a 10%. As perdas ópticas internas devido à reabsorção no próprio chip do LED e no encapsulamento do LED constituem 10% a 30% da perda de eficiência. Atualmente, na área de desenvolvimento de fósforo, um grande esforço é dedicado à sua otimização, a fim de alcançar maior produção de luz e temperaturas operacionais mais elevadas. Por exemplo, a eficiência pode ser aumentada através de um melhor design de encapsulamento ou usando um tipo de fósforo mais adequado. O processo de revestimento de ajuste é normalmente utilizado para poder regular a espessura variável do fósforo.
Alguns LEDs de fósforo branco consistem em LEDs InGaN azuis encapsulados em uma resina epóxi revestida com fósforo. Outra opção é associar o LED a um fósforo separado, uma peça pré-fabricada de policarbonato pré-formado revestida com o material fosforoso. Os fósforos separados fornecem luz mais difusa, o que é favorável para muitas aplicações. Projetos com fósforos separados também são mais tolerantes às variações no espectro de emissão do LED. Um material de fósforo amarelo muito comum é a granada de ítrio-alumínio dopada com cério (Ce 3+:YAG).
Outros LEDs brancos
Outro método utilizado para produzir LEDs experimentais de luz branca sem o uso de fósforos é baseado na epitaxia do crescimento de seleneto de zinco (ZnSe) em um substrato ZnSe que emite simultaneamente luz azul de sua região ativa e luz amarela do substrato.
Uma nova forma de produzir LEDs brancos é usar wafers "Wafer (eletrônicos)") compostos de nitreto de gálio sobre silício a partir de wafers de silício de 200 mm. Isto evita a dispendiosa fabricação de substratos de safira a partir de wafers de tamanhos relativamente pequenos, isto é, 100 ou 150 mm. O aparelho de safira deve ser acoplado a um coletor espelhado para refletir a luz, que de outra forma seria perdida. Prevê-se que até 2020, 40% de todos os LEDs GaN serão fabricados em silício. Fabricar safiras grandes é difícil, enquanto o silício grande é barato e mais abundante. Por outro lado, os fabricantes de LED que mudam da safira para o silício devem fazer um investimento mínimo.
LEDs orgânicos (OLED)
Em um diodo orgânico emissor de luz (OLED), o material eletroluminescente que compõe a camada emissora do diodo é um composto orgânico. O material orgânico é condutor devido à deslocalização eletrônica das ligações pi causada pelo sistema conjugado em toda ou parte da molécula; Consequentemente, o material funciona como um semicondutor orgânico. Os materiais orgânicos podem ser pequenas moléculas orgânicas na fase cristalina ou polímeros.
Uma das vantagens possibilitadas pelos OLEDs são telas finas e de baixo custo, com baixa tensão de alimentação, amplo ângulo de visão, alto contraste e ampla gama de cores. Os LEDs de polímero têm a vantagem adicional de permitir exibições flexíveis e imprimíveis. Os OLEDs têm sido usados na fabricação de displays visuais para dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares, câmeras digitais e tocadores de MP3, e possíveis usos futuros também são considerados para incluir iluminação e televisão.
LEDs de pontos quânticos
No início da década de 60 começou uma década de revolução tecnológica com o nascimento da Internet e a descoberta dos LEDs no espectro visível. Em 1959, o Prêmio Nobel de Física Richard P. Feynman, em sua famosa palestra proferida na reunião anual da Associação Física dos Estados Unidos intitulada: “Há muito espaço no fundo: um convite para entrar em um novo campo da física”, já antecipava a revolução tecnológica e as importantes descobertas que poderiam envolver a manipulação de materiais até que fossem reduzidos a tamanhos ou escalas atômicas ou moleculares. Mas foi somente na década seguinte, na década de 1970, que o conhecimento de inúmeras aplicações se tornou conhecido. da mecânica quântica (cerca de 70 anos após sua invenção) juntamente com o avanço das técnicas de crescimento e síntese de materiais, representam uma mudança importante nas linhas de pesquisa de numerosos grupos.[103].
Já nesta década, a capacidade de projetar estruturas com novas propriedades ópticas e eletrônicas foi aliada à busca de novas aplicações tecnológicas para materiais já existentes na natureza. Na verdade, em 1969, L. Esaki et al. propuseram a implementação de heteroestruturas formadas por camadas muito finas de diferentes materiais, dando origem ao que é conhecido como engenharia e projeto de bandas de energia em materiais semicondutores.[104] A heteroestrutura de pequena dimensão mais básica é o poço quântico (Quantum Well, QW). Consiste em uma fina camada de um determinado semicondutor, da ordem de 100 Å, confinada entre duas camadas de outro material semicondutor caracterizado por uma maior largura da banda de energia proibida (bandgap, BG). Devido às pequenas dimensões do poço de potencial associado a esta estrutura, os portadores ficam restritos em seu movimento a um plano perpendicular à direção de crescimento. Os diodos laser com QWs na zona ativa apresentavam grandes vantagens, como a capacidade de selecionar o comprimento de onda de emissão com base na largura do poço ou na diminuição da corrente de limiar, esta última relacionada à densidade de estados resultante do confinamento em um plano.[105].
Todos estes avanços foram seguidos naturalmente por outros como o estudo de sistemas com confinamento em três dimensões, ou seja, pontos quânticos (QDs). Assim, os QDs podem ser definidos como sistemas artificiais de tamanho muito pequeno, de algumas dezenas de nanômetros a alguns mícrons, nos quais os portadores estão confinados nas três direções do espaço tridimensional (por isso são chamados de dimensão zero), em uma região do espaço menor que seu comprimento de onda de Broglie.
Quando o tamanho do material semicondutor que constitui o ponto quântico está dentro da escala nanométrica, este material apresenta um comportamento diferente daquele observado para ele em escala macroscópica ou para os átomos individuais que o compõem. Os elétrons no nanomaterial estão restritos a se moverem em uma região muito pequena do espaço e são considerados confinados. Quando esta região é tão pequena que é comparável ao comprimento de onda associado ao elétron (o comprimento de De Broglie), então o que é chamado de comportamento quântico começa a ser observado. Nestes sistemas, suas propriedades físicas não são explicadas com conceitos clássicos, mas são explicadas através dos conceitos da mecânica quântica.[106] Por exemplo, a energia potencial mínima de um eletrão confinado numa nanopartícula é maior do que a esperada na física clássica e os níveis de energia dos seus diferentes estados eletrónicos são discretos. Devido ao confinamento quântico, o tamanho da partícula tem um efeito fundamental na densidade dos estados eletrônicos e, portanto, na sua resposta óptica. O confinamento quântico ocorre quando o tamanho das partículas foi reduzido até se aproximar do raio do exciton de Bohr (gerando um par elétron-buraco ou exciton no material semicondutor), deixando-o confinado em um espaço muito pequeno. Como consequência, a estrutura dos níveis de energia e as propriedades ópticas e elétricas do material são consideravelmente modificadas. Os níveis de energia tornam-se discretos e finitos e dependem fortemente do tamanho da nanopartícula.[106].
Pessoal
Los ledes se fabrican en una gran variedad de formas y tamaños. El color de la lente de plástico suele coincidir con el de la luz emitida por el led, aunque no siempre es así. Por ejemplo, el plástico de color púrpura se emplea para los ledes infrarrojos y la mayoría de los ledes azules presentan encapsulamientos incoloros. Los ledes modernos de alta potencia como los empleados para iluminación directa o para retroiluminación aparecen normalmente en montajes de tecnología de superficie") (SMT).
Miniatura
LEDs em miniatura são frequentemente usados como indicadores. Na tecnologia passante e montagens de superfície, seu tamanho varia de 2 mm a 8 mm. Eles normalmente não possuem dissipador de calor independente.[116] A corrente máxima está entre 1 mA e 20 mA. Seu pequeno tamanho constitui uma limitação em termos de potência consumida devido à sua alta densidade de potência e à ausência de dissipador de calor. Eles geralmente são conectados em cadeia para formar faixas de luz LED.
Os formatos de tampa de plástico mais típicos são redondos, planos, triangulares e quadrados com topo plano. O encapsulamento também pode ser transparente ou colorido para melhorar o contraste e os ângulos de visão.[117].
Pesquisadores da Universidade de Washington inventaram o LED mais fino. É feito de materiais bidimensionais (2-D). Sua largura é de 3 átomos, ou seja, entre 10 e 20 vezes mais fina que os LEDs tridimensionais (3-D) e 10.000 vezes mais fina que um fio de cabelo humano. Esses LEDs 2-D permitirão comunicações ópticas e nano lasers menores e mais eficientes em termos energéticos.[118].
Existem três categorias principais de LEDs em miniatura de cor única:
Preparado para uma corrente de 2 mA com cerca de 2 V (consumo de mais ou menos 4 mW).
Para uma corrente de 20 mA e com 2 ou 4-5 V, projetado para ser visto sob luz solar direta. Os LEDs de 5V e 12V são LEDs miniatura normais que incorporam um resistor em série para conexão direta a uma fonte de 5 ou 12V.
Alta potência
Veja também: Iluminação de estado sólido, Lâmpada LED, LEDs de alta potência ou HP-LED").
LEDs de alta potência (HP-LEDs) ou HO-LEDs de alta emissão (LEDs de alta saída) podem ser controlados com correntes de centenas de mA a mais de 1 ampere, enquanto outros LEDs atingem apenas dezenas de miliamperes. Alguns podem emitir mais de mil lúmens.[119][120].
Densidades de potência de até 300 W/(cm²) também foram alcançadas.[121] Como o superaquecimento dos LEDs pode destruí-los, eles devem ser montados em um dissipador de calor. Se o calor de um HP-LED não fosse transferido para o meio, o dispositivo falharia em poucos segundos. Um HP-LED pode substituir uma lâmpada incandescente em uma lanterna ou várias delas podem ser combinadas para constituir uma lâmpada LED de potência. Alguns HP-LEDs bem conhecidos nesta categoria são os da série Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon e Cree X-Lamp. Desde setembro de 2009, existem LEDs fabricados pela Cree que excedem 105 lm/W.[122].
Exemplos da lei de Haitz, que prevê um aumento exponencial ao longo do tempo na saída de luz e na eficiência de um LED, são a série CREE XP-GE que atingiu 105 lm/W em 2009[122] e a série Nichia 19 com uma eficiência média de 140 lm/W que foi lançada em 2010.[123].
Alimentado por corrente alternada
A Seoul Semiconductor desenvolveu LEDs que podem funcionar em corrente alternada sem a necessidade de um conversor DC. Em um meio ciclo, uma parte do LED emite luz e a outra parte fica escura, e isso acontece ao contrário durante o meio ciclo seguinte. A eficiência normal deste tipo de HP-LED é de 40 lm/W.[124] Um grande número de elementos LED em série pode operar diretamente com a tensão da rede. Em 2009, a Seoul Semiconductor lançou um LED de alta tensão, denominado 'Acrich MJT', capaz de ser acionado por CA através de um circuito de controle simples. A baixa potência dissipada por esses LEDs proporciona maior flexibilidade do que outros designs originais de LED AC.[125].
Aplicações. Variantes
Os LEDs piscantes são utilizados como indicadores de atenção sem a necessidade de qualquer tipo de eletrônica externa. Os LEDs piscantes parecem LEDs padrão, mas contêm um circuito multivibrador integrado que faz com que os LEDs pisquem com um período característico de um segundo. Nos LEDs equipados com lente de difusão, este circuito é visível (um pequeno ponto preto). A maioria dos LEDs piscantes emitem luz em uma única cor, mas dispositivos mais sofisticados podem piscar em várias cores e até mesmo desbotar em uma sequência de cores a partir da mistura de cores RGB.
Os LEDs bicolores contêm dois LEDs diferentes em um único conjunto. Existem dois tipos; O primeiro consiste em duas matrizes conectadas a dois condutores paralelos entre si com a corrente circulando em direções opostas. Com o fluxo de corrente em uma direção, uma cor é emitida e com a corrente na direção oposta, a outra cor é emitida. No segundo tipo, entretanto, as duas matrizes possuem terminais separados e há um terminal para cada cátodo ou cada ânodo, de modo que podem ser controlados de forma independente. A combinação de cores mais comum é o tradicional vermelho/verde, no entanto, existem outras combinações disponíveis, como o tradicional verde/âmbar, vermelho/verde puro, vermelho/azul ou azul/verde puro.
Os LEDs tricolores contêm três LEDs emissores diferentes em um único quadro. Cada emissor está conectado a um terminal separado para que possa ser controlado independentemente dos demais. Um arranjo muito característico é aquele em que aparecem quatro terminais, um terminal comum (os três ânodos ou os três cátodos unidos) mais um terminal adicional para cada cor.
Os LEDs RGB são LEDs tricolores com emissores vermelhos, verdes e azuis, geralmente usando uma conexão de quatro fios e um terminal comum (ânodo ou cátodo). Este tipo de LEDs pode ter tanto o terminal positivo quanto o terminal negativo como comuns. Outros modelos, porém, possuem apenas dois terminais (positivo e negativo) e uma pequena unidade de controle eletrônico embutida.
Este tipo de LED possui emissores de diversas cores e está equipado com apenas dois terminais de saída. As cores são trocadas internamente variando a tensão de alimentação.
Os LEDs alfanuméricos estão disponíveis como displays de sete segmentos, displays de quatorze segmentos ou displays de matriz de pontos. Os displays de sete segmentos podem representar todos os números e um conjunto limitado de letras, enquanto os displays de quatorze segmentos podem exibir todas as letras. Os displays de matriz de pontos normalmente usam 5x7 pixels por caractere. O uso de LEDs de sete segmentos tornou-se difundido nas décadas de 1970 e 1980, mas o uso crescente de telas de cristal líquido reduziu a popularidade dos LEDs numéricos e alfanuméricos devido aos seus menores requisitos de energia e maior flexibilidade de exibição.
Eles são LEDs RGB que contêm seus próprios componentes eletrônicos de controle “inteligentes”. Além de alimentação e aterramento, eles possuem conexões para entrada e saída de dados e, às vezes, para sinais de relógio ou estroboscópios. Eles são conectados em cadeia, com a entrada de dados no primeiro LED equipado com um microprocessador que pode controlar o brilho e a cor de cada um deles, independentemente dos demais. Eles são usados onde é necessária uma combinação que proporcione o máximo controle e uma visão mínima da eletrônica, como em cadeias de luz de Natal ou matrizes de LED. Alguns até apresentam taxas de atualização na faixa de kHz, tornando-os adequados para aplicações básicas de vídeo.
Considerações de uso
Fontes de alimentação
Artigo principal: Circuito com LED.
A curva característica corrente-tensão de um LED é semelhante à de outros diodos, nos quais a intensidade da corrente (ou brevemente, corrente) cresce exponencialmente com a tensão "Tensão (eletricidade)") (ver equação de Shockley). Isso significa que uma pequena mudança na tensão pode causar uma grande mudança na corrente. Se a tensão aplicada exceder a queda de tensão limite de polarização direta do LED, em uma pequena quantidade, o limite de corrente que o diodo pode suportar pode ser muito excedido, potencialmente danificando ou destruindo o LED. A solução que pode ser adotada para evitar isso é utilizar fontes de energia de intensidade de corrente constante (brevemente, fonte de corrente constante[130]) capazes de manter a corrente abaixo do valor máximo da corrente que o LED pode passar ou, pelo menos, se for utilizada uma fonte convencional de tensão constante "Tensão (eletricidade)") ou bateria, adicionar um resistor limitador em série com o LED ao circuito de iluminação do LED. Como as fontes de energia normais (baterias, rede elétrica) são normalmente fontes de tensão constante, a maioria das luminárias LED deve incluir um conversor de energia ou pelo menos um resistor limitador de corrente. No entanto, a alta resistência das células-botão de três volts combinada com a alta resistência diferencial dos LEDs derivados de nitreto torna possível alimentar tais LEDs com uma célula-botão sem a necessidade de incorporar um resistor externo.
polaridade elétrica
Artigo principal: Polaridade elétrica dos LEDs.
Tal como acontece com todos os diodos, a corrente flui facilmente do material tipo p para o material tipo n. Contudo, se uma pequena tensão for aplicada na direção inversa, a corrente não flui e nenhuma luz é emitida. Se a tensão reversa aumentar o suficiente para exceder a tensão de ruptura, uma corrente alta fluirá e o LED poderá ser danificado. Se a corrente reversa for limitada o suficiente para evitar danos, o LED de acionamento reverso pode ser usado como um diodo de avalanche.
Saúde e segurança
A grande maioria dos dispositivos que contêm LEDs são “seguros em uso normal” e, portanto, são classificados como “Produto de Risco 1 RG1 (baixo risco)” / “LED Classe 1”. Atualmente, apenas alguns LEDs – LEDs extremamente brilhantes que têm um ângulo de visão muito pequeno com uma abertura de 8° ou menos – poderiam, em teoria, causar cegueira temporária e são, portanto, classificados como “Risco 2 RG2 (risco moderado)”. Seu uso também está sendo estudado para o tratamento de dores, insônia e outros distúrbios e doenças, entre outras, o Alzheimer.[133].
O parecer da Agência Francesa de Saúde e Segurança Alimentar, Ambiental e Ocupacional (ANSES), ao abordar questões de saúde relacionadas aos LEDs em 2010, sugeriu proibir o uso público de lâmpadas que estivessem no Grupo 2 ou Risco Moderado, especialmente aquelas com alto componente azul, em locais frequentados por crianças.[134].
Em geral, os regulamentos de segurança para o uso de luz laser[135][136]—e dispositivos de Risco 1, Risco 2, etc.— também são aplicáveis aos LEDs.[137].
Assim como os LEDs têm a vantagem, em relação às lâmpadas fluorescentes, de não conterem mercúrio (elemento “Mercúrio”), eles podem conter outros metais perigosos, como chumbo e arsênico. Em relação à toxicidade dos LEDs quando tratados como resíduos, um estudo publicado em 2011 afirmou: “De acordo com as regulamentações federais, os LEDs não são perigosos, exceto os LEDs vermelhos de baixa intensidade, porque inicialmente continham Pb (chumbo) em concentrações acima dos limites regulatórios (186 mg/L; limite regulatório: 5). 8.103 mg/kg, limite: 1.000), níquel (até 4.797 mg/kg, limite: 2.000) ou prata (até 721 mg/kg, limite: 500) fazem com que todos os LEDs, exceto os amarelos de baixa intensidade, sejam perigosos."[138]
Aplicações
Indicadores e lâmpadas de sinalização
O baixo consumo de energia, a baixa necessidade de manutenção e o pequeno tamanho dos LEDs levaram à sua utilização como indicadores de status e exibição em uma ampla variedade de equipamentos e instalações. Telas de LED de grandes áreas são usadas para transmitir jogos em estádios, como telas decorativas dinâmicas e como sinalização de mensagens dinâmicas em rodovias. Displays de mensagens leves e finos são usados em aeroportos e estações ferroviárias e como painéis de informações de destino em trens, ônibus, bondes e balsas.
As luzes de cor única são adequadas para semáforos, sinais de trânsito, sinais de saída de "Saída de Emergência (Segurança)", iluminação de emergência de veículos, luzes de navegação, faróis (os índices padrão de cromaticidade e luminância foram estabelecidos na Convenção Internacional para a Prevenção de Colisões no Mar 1972 Anexo 1 e pela Comissão Internacional de Iluminação ou CIE) e luzes de Natal compostas por LEDs. Em regiões com climas frios, os semáforos LED podem permanecer cobertos de neve.[164] Os LED vermelhos ou amarelos são utilizados em indicadores e displays alfanuméricos, em ambientes onde a visão noturna deve ser mantida: cockpits de aviões, pontes subaquáticas e de navios, observatórios astronômicos e em campo, por exemplo, para observação de animais à noite e aplicações militares em campo.
Dada a sua longa vida útil, tempos de comutação rápidos e capacidade de serem vistos em plena luz do dia devido à sua alta intensidade e concentração, os LEDs têm sido usados há algum tempo para luzes de freio em carros, caminhões e ônibus, e em sinais de mudança de direção; Muitos veículos atualmente usam LEDs em seus conjuntos de luzes traseiras. A utilização em freios melhora a segurança pela grande redução do tempo necessário para uma ignição completa, ou seja, pelo fato de ter um tempo de subida menor, até 0,5 segundo mais rápido que uma lâmpada incandescente. Isso proporciona mais tempo de reação para os motoristas atrás. Em um circuito de duas intensidades (luzes de presença traseiras e luzes de freio), se os LEDs não forem acionados em uma frequência rápida o suficiente, eles podem criar uma matriz fantasma, onde imagens fantasmas de LED aparecerão se os olhos se moverem rapidamente através da matriz de luz. Faróis com LEDs brancos começam a ser usados. O uso de LEDs tem vantagens estilísticas porque podem formar feixes de luz muito mais finos do que lâmpadas incandescentes equipadas com refletores parabólicos.
Os LEDs de baixa potência são relativamente muito econômicos e permitem seu uso em objetos luminosos de curta duração, como autoadesivos luminosos, objetos descartáveis e o tecido fotônico Lumalive. Os artistas também usam LEDs para a chamada arte LED. Os receptores de rádio meteorológicos e de socorro com mensagens de área codificada (SAME) possuem três LEDs: vermelho para alarmes, laranja para atenção e amarelo para avisos, indicações e relatórios.
Raio
Para incentivar a mudança para lâmpadas LED, o Departamento de Energia dos Estados Unidos criou o Prêmio L. A lâmpada LED da Philips Lighting North America ganhou o primeiro prêmio em 3 de agosto de 2011, após completar com sucesso 18 meses de testes intensivos de campo, laboratório e produtos.[165].
Os LEDs são usados como iluminação pública e em iluminação arquitetônica. Robustez mecânica e longa vida útil são utilizadas na iluminação automotiva de carros, motocicletas e faróis de bicicletas. A emissão de luz LED pode ser controlada de forma eficaz usando princípios ópticos sem imagem.
Em 2007, a cidade italiana de Torraca foi o primeiro lugar a converter todo o seu sistema de iluminação para LEDs. Os LEDs também são usados na aviação, a Airbus usa iluminação LED em seu Airbus A320 desde 2007 e a Boeing usa iluminação LED no 787. Os LEDs agora também são usados na iluminação de aeroportos e heliportos. Atualmente, as luminárias LED para aeroportos incluem luzes de pista de média intensidade, luzes centrais de pista, luzes centrais de pistas de táxi e luzes de borda.
Os LEDs também são usados como fonte de luz para projetores DLP e para iluminar televisores LCD (conhecidos como televisores LED) e telas de laptop. Os LEDs RGB aumentam a gama de cores em até 45%. Telas de TV e telas de computador podem ser mais finas usando LEDs para iluminação de fundo. A falta de radiação infravermelha ou térmica torna os LEDs ideais para iluminação de palco com bancos de LEDs RGB que podem facilmente mudar de cor e diminuir o aquecimento da iluminação, bem como iluminação médica onde a radiação IR pode ser prejudicial. Na conservação de energia, há menos produção de calor quando se utilizam LEDs.
Eles também são pequenos, duráveis e requerem pouca energia, por isso são usados em dispositivos portáteis, como lanternas. Os estroboscópios de LED ou flashes de câmera "Flash (fotografia)" operam em uma tensão baixa e segura, em vez dos mais de 250 volts comumente encontrados na iluminação baseada em flash de xenônio. Isto é especialmente útil em câmeras de telefones celulares. Os LEDs são usados para iluminação infravermelha em aplicações de visão noturna, incluindo câmeras de segurança. Um anel de LEDs ao redor de uma câmera de vídeo voltada para a frente em um fundo retrorrefletivo permite o chroma key em produções de vídeo.
Os LEDs são usados em operações de mineração, como lâmpadas para fornecer luz aos mineiros. Pesquisas foram conduzidas para melhorar os LEDs de mineração, reduzir o brilho e aumentar a iluminação, reduzindo o risco de ferimentos aos mineiros.[168].
Os LEDs são agora comumente usados em todas as áreas do mercado, do uso comercial ao doméstico: iluminação padrão, instalações teatrais, arquitetônicas, públicas e onde quer que seja usada luz artificial.
Os LEDs estão cada vez mais encontrando usos em aplicações médicas e educacionais, por exemplo, para melhorar o humor, e em novas tecnologias, como AmBX, explorando a versatilidade dos LEDs. A NASA até patrocinou pesquisas sobre o uso de LEDs para promover a saúde dos astronautas.[169].
Comunicações ópticas. Transferência de dados e outras comunicações
A luz pode ser usada para transmitir dados e sinais analógicos. Por exemplo, LEDs brancos podem ser usados em sistemas para ajudar as pessoas a se orientarem em espaços fechados, a fim de localizar arranjos ou objetos.[170].
Os "dispositivos de escuta assistida" em muitos teatros e espaços semelhantes usam conjuntos de LEDs infravermelhos para enviar som aos receptores dos espectadores. LEDs (e também lasers semicondutores) são usados para enviar dados através de muitos tipos de cabos de fibra óptica. Desde cabos TOSLINK para transmissão de áudio digital até links de fibra de altíssima largura de banda que formam a espinha dorsal da Internet. Durante algum tempo, os computadores foram equipados com interfaces IrDA, permitindo-lhes enviar e receber dados de equipamentos próximos usando radiação infravermelha.
Como os LEDs podem ligar e desligar milhões de vezes por segundo, eles exigem uma largura de banda muito alta para transmissão de dados.[171][172].
Iluminação sustentável
A eficiência da iluminação é necessária para uma arquitetura sustentável. Em 2009, testes realizados com lâmpadas LED pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos mostraram uma eficiência média de 35 lm/W, portanto abaixo da eficiência das lâmpadas fluorescentes compactas, até valores tão baixos quanto 9 lm/W, piores que as lâmpadas incandescentes. Uma lâmpada LED típica de 13 watts emitia de 450 a 650 lúmens,[173] o que era equivalente a uma lâmpada incandescente padrão de 40 watts.
Em qualquer caso, em 2011 existiam lâmpadas LED com uma eficiência de 150 lm/W, e mesmo os modelos de gama baixa ultrapassavam os 50 lm/W, pelo que um LED de 6 watts poderia alcançar os mesmos resultados que uma lâmpada incandescente padrão de 40 watts. Estes últimos têm uma durabilidade de 1.000 horas, enquanto um LED pode continuar operando com menor eficiência por mais de 50.000 horas.[174].
Tabela comparativa de lâmpada incandescente led-LFC:.
A redução do consumo de energia elétrica alcançada com a iluminação baseada em LED é importante quando comparada à iluminação incandescente. Além disso, esta redução também se manifesta como uma diminuição notável dos danos ao meio ambiente. Cada país apresenta um panorama energético diferente e, portanto, embora o impacto no consumo de energia seja o mesmo, a produção de gases nocivos ao ambiente pode oscilar um pouco de um país para outro. Em relação ao consumo, pode-se tomar como exemplo uma lâmpada incandescente convencional de 40 watts. Uma saída de luz equivalente pode ser obtida com um sistema LED de 6 watts. Ao utilizar o sistema LED em vez de lâmpadas incandescentes, o consumo de energia pode ser reduzido em mais de 85%. Quanto à poupança no impacto ambiental, é possível quantificá-la para qualquer país se for conhecida a produção de CO por cada kW por hora. No caso específico de Espanha, sabe-se que o mix energético da rede elétrica espanhola produziu cerca de 308 g de CO/kWh em 2016. Para o cálculo, assume-se que tanto a lâmpada como o conjunto LED funcionaram durante 10 horas por dia durante todo o ano de 2016.[175] As energias consumidas foram de 146 kW-hora pela lâmpada incandescente e 21,6 kW-hora por parte do conjunto LED. A energia elétrica consumida pode ser traduzida em kg de CO produzidos por ano. No primeiro caso, foi realizada a geração de cerca de 45 kg de CO, enquanto no segundo caso a produção de CO foi reduzida para 6,75 kg.
Fontes de luz para sistemas de visão artificial
Os sistemas de visão industrial geralmente requerem iluminação homogênea para poder focar nas características de interesse da imagem. Esta é uma das utilizações mais frequentes das luzes LED e certamente continuará a ser, fazendo baixar os preços dos sistemas baseados em sinalização luminosa. Os leitores de código de barras são o exemplo mais comum de sistemas de visão; muitos desses produtos de baixo custo usam LEDs em vez de lasers.[176] Os mouses ópticos de computador também usam LEDs em seu sistema de visão, pois fornecem uma fonte de luz uniforme sobre a superfície para a câmera em miniatura dentro do mouse. Na verdade, os LEDs são uma fonte de luz quase ideal para sistemas de visão pelos seguintes motivos:
• - O tamanho do campo iluminado é geralmente comparativamente pequeno e os sistemas de visão mecânica são muitas vezes bastante caros, portanto o custo da fonte de luz geralmente é menos preocupante. No entanto, pode não ser fácil substituir uma fonte de luz quebrada em máquinas complexas; Neste caso, a longa vida útil dos LEDs é uma vantagem.
• - Os componentes LED tendem a ser pequenos e podem ser colocados em alta densidade em substratos de superfície plana ou uniforme (PCB, etc.) para que possam ser projetadas fontes de luz homogêneas que direcionem a luz de direções estritamente controladas para as peças inspecionadas. Muitas vezes, isso pode ser alcançado com lentes e difusores pequenos e de baixo custo, ajudando a alcançar altas densidades de luz com controle sobre os níveis de iluminação e a homogeneidade. As fontes LED podem ser configuradas de várias maneiras (holofotes para iluminação reflexiva, luzes circulares para iluminação coaxial, retroiluminação para iluminação de contorno, montagens lineares, painéis planos de grande formato, fontes de cúpula para iluminação omnidirecional difusa).
• - Os LEDs podem ser facilmente estroboscópicos (na faixa de microssegundos e abaixo) e sincronizados com imagem. LEDs de alta potência estão disponíveis para permitir imagens bem iluminadas, mesmo com pulsos de luz muito curtos. Isso geralmente é usado para obter imagens nítidas de peças em movimento rápido.
• - Os LEDs vêm em diversas cores e comprimentos de onda, permitindo fácil utilização da melhor cor para cada necessidade, onde a cor diferente pode proporcionar melhor visibilidade das características de interesse. Ter um espectro conhecido com precisão permite que filtros próximos sejam usados para separar a largura de banda informativa ou para reduzir os efeitos perturbadores da luz ambiente. Os LEDs geralmente operam em temperaturas de trabalho comparativamente baixas, simplificando o gerenciamento e a dissipação de calor. Isso permite o uso de lentes, filtros e difusores de plástico. As unidades à prova d'água também podem ser facilmente projetadas, permitindo o uso em ambientes agressivos ou úmidos (indústrias de alimentos, bebidas, petróleo).
Medicina e biologia
A Healthcare repetiu as vantagens dos LEDs sobre outros tipos de iluminação e incorporou-as nos seus equipamentos de última geração. As vantagens oferecidas pelos LEDs em seu atual estado de desenvolvimento levaram à sua rápida difusão no mundo dos instrumentos de diagnóstico e apoio em procedimentos médicos e cirúrgicos. As vantagens apreciadas pelos profissionais médicos são as seguintes:.
• - O pequeno tamanho das fontes de luz que, em geral, podem ser associadas a guias de luz muito finos e flexíveis, o que permite sua movimentação dentro de cateteres finos.
• - A falta de radiação infravermelha que os acompanha, o que permite que o adjetivo luz fria seja associado a eles. O calor emitido por outros tipos de fontes de luz dificultava ou impossibilitava a sua utilização em determinadas observações diagnósticas ou intervenções cirúrgicas.
• - O tom branco que costuma ser o preferido para observações médicas. Deve ser uma cor branca natural capaz de apresentar todas as cores sem problemas de metamerismo. A cor natural dos tecidos assim iluminados favorece o correto diagnóstico do campo observado.
• - A elevada intensidade luminosa alcançada por estas fontes de luz.
Com base nas ideias anteriores, os endoscópios atuais são equipados com iluminação LED. A técnica endoscópica abrange muitas especialidades médicas, por exemplo gastroscopia, colonoscopia, laringoscopia, otoscopia ou artroscopia. Todas essas técnicas permitem a observação de órgãos e sistemas do corpo humano através do uso de câmeras de vídeo em miniatura. Também podem ser utilizados em intervenções cirúrgicas ou para fazer diagnósticos. O equipamento também é conhecido como videoscópios ou videoendoscópios. Existem rígidos ou flexíveis dependendo das necessidades. A fibra óptica adapta-se a cada caso particular. Por outro lado, a iluminação das salas cirúrgicas e clínicas odontológicas atualmente é de LED. Satisfazem perfeitamente todos os requisitos técnicos e sanitários para a sua utilização. Particularmente apreciada é a obtenção de uma iluminação brilhante, natural e branca (mais de cento e cinquenta mil candelas a um metro do campo de operação), sem sombras e sem emissões infravermelhas ou ultravioletas que possam afetar tanto o paciente como a equipe médica participante da intervenção.
O mesmo acontece com os faróis dos cirurgiões e dentistas equipados com LEDs, com lâmpadas para exames médicos, para exames e intervenções oftalmológicas ou para pequenas cirurgias, pelo que se pode dizer que os LED passaram a abranger todas as especialidades médicas. As empresas ópticas dedicadas à medicina incorporaram LEDs nos seus equipamentos de observação, por exemplo em microscópios, obtendo assim muitas vantagens para o estudo de imagens através de diferentes técnicas (campo claro, contraste, fluorescência), o que é evidente na área publicitária e comercial. Os LEDs são usados com sucesso como sensores em monitores de frequência cardíaca ou monitores de pressão arterial de oxigênio para medir a saturação de oxigênio.
Indústria
A indústria adaptou os modelos de observação utilizados na medicina às suas próprias necessidades e os equipamentos são chamados de "endoscópios industriais" ou também boroscópios), flexoscópios) ou videoendoscópios). Com eles você poderá observar o interior de máquinas, motores, dutos, cavidades ou armas sem precisar desmontá-los.
Outras aplicações
A luz dos LEDs pode ser modulada muito rapidamente, por isso são amplamente utilizados em fibra óptica e comunicação óptica em espaço livre. Isto inclui controles remotos usados em televisores LED, videocassetes e computadores. Os isoladores ópticos usam um LED combinado com um fotodiodo ou fototransistor para fornecer um caminho de sinal eletricamente isolado entre dois circuitos. Isto é especialmente útil em equipamentos médicos onde os sinais de um circuito sensor de baixa tensão (normalmente alimentado por bateria) em contato com um organismo vivo devem ser isolados eletricamente de qualquer possível falha elétrica em um dispositivo de monitoramento operando em tensões potencialmente perigosas. Um optoisolador também permite que informações sejam transferidas entre circuitos que não compartilham um potencial de terra comum.
Muitos sistemas de sensores dependem da luz como fonte de sinal. Os LEDs costumam ser ideais como fonte de luz devido aos requisitos do sensor. LEDs são usados como sensores de movimento"), por exemplo, em mouses ópticos de computador "Mouse (computação)"). A barra de sensores do Nintendo Wii usa LEDs infravermelhos. Os oxímetros de pulso os usam para medir a saturação de oxigênio. Alguns scanners de mesa usam matrizes de LED RGB em vez da típica lâmpada fluorescente de cátodo frio como fonte de luz. Ter controle independente de três cores iluminadas permite que o scanner seja calibrado para um equilíbrio de cores mais preciso e não há necessidade de aquecimento. Além disso, seus sensores só precisam ser monocromático, uma vez que a qualquer momento a página digitalizada é iluminada apenas com uma cor de luz. Como os LEDs também podem ser usados como fotodiodos, eles também podem ser usados para emissão ou detecção de fotos. Isso poderia ser usado, por exemplo, em uma tela sensível ao toque que registra a luz refletida de um dedo ou de uma caneta na fotossíntese em plantas,[178] e bactérias e vírus podem ser eliminados da água e outras substâncias usando LEDs UV para esterilização.
Os LEDs também têm sido usados como referência de tensão de qualidade em circuitos eletrônicos. Em vez de um diodo Zener em reguladores de baixa tensão, pode-se usar queda de tensão direta (por exemplo, cerca de 1,7 V para um LED vermelho normal). Os LEDs vermelhos têm a curva I/V mais plana. Embora a tensão direta do LED seja muito mais dependente da corrente do que um diodo Zener, os diodos Zener com tensões de ruptura abaixo de 3 V não estão amplamente disponíveis.
A miniaturização progressiva da tecnologia de iluminação de baixa tensão, como LEDs e OLEDs, adequados para incorporação em materiais finos, tem incentivado a experimentação na combinação de fontes de luz e superfícies de revestimento de paredes interiores.[179] As novas possibilidades oferecidas por esses desenvolvimentos levaram alguns designers e empresas, como Meystyle"),[180] Ingo Maurer,[181] Lomox,[182] e Philips[183] a pesquisar e desenvolver papéis de parede de LED proprietários. tecnologias, algumas das quais estão atualmente disponíveis para compra comercial. Outras soluções existem principalmente como protótipos ou estão em processo de aperfeiçoamento.
• - Wikimedia Commons hospeda uma categoria multimídia em led.
• - Wikimedia Commons hospeda uma categoria multimídia em led (SMD) "commons:Categoria:Diodos emissores de luz (SMD)").
• - O Wikcionário contém definições e outras informações sobre LED.
• - no YouTube.
Referências
[1] ↑ Hasta 2001, el término se escribía en español como una sigla: con mayúsculas y sin plural (un LED, dos LED). Fue aceptado como sustantivo común por la Asociación de Academias de la Lengua Española en el Diccionario de la lengua española. Su plural es «ledes» (así como el plural de «red» es «redes»).
[2] ↑ MyLedpassion.com. «Biografía del capitán Henry Joseph Round por su contribución a la radio y a la invención de los ledes con 117 patentes» (en inglés). Consultado el 28 de julio de 2017.: http://www.myledpassion.com/History/hj-round.htm
[4] ↑ US Patent 3293513, "Semiconductor Radiant Diode", James R. Biard and Gary Pittman, Filed on Aug. 8th, 1962, Issued on Dec. 20th, 1966.: http://www.freepatentsonline.com/3293513.pdf
[7] ↑ Real Academia Española. «Led». Diccionario de la lengua española (23.ª edición).: https://dle.rae.es/led
[8] ↑ «LED». The American Heritage Science Dictionary (Houghton Mifflin Company). 2005. led y LED. Definiciones de LED en inglés. Consultado el 5 de mayo de 2017.: http://dictionary.reference.com/browse/led
[9] ↑ Moreno, I.; Sun, C. C. (2008). «Modeling the radiation pattern of LEDs». Optics Express 16 (3): 1808-1819. ISSN 1094-4087. PMID 18542260. doi:10.1364/OE.16.001808. Modelado del patrón de radiación de los LEDS. Consultado el 5 de mayo de 2017.: https://es.wikipedia.org//portal.issn.org/resource/issn/1094-4087
[19] ↑ Kroemer, Herbert (16 de septiembre de 2013). «"The Double-Heterostructure Concept: How It Got Started"». Proceedings of the IEEE. 101 (10): pp. 2184, 2183-2187. doi:10.1109/JPROC.2013.2274914.: https://dx.doi.org/10.1109%2FJPROC.2013.2274914
[24] ↑ W.N., Carr, Pittman, G.E. (noviembre de 1963). «One-watt GaAs p-n junction infrared source». Applied Physics Letters: 3 (10): 173-175. doi:10.1063/1.1753837. Consultado el 19 de octubre de 2016.: http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1753837
[25] ↑ Holonyak Nick; Bevacqua, S. F (diciembre de 1962). «“Coherent (visible) light emission from Ga (As1−xP x) JUNCTIONS”». Appl. Phys. Lett. 1, 82. doi:10.1063/1.1753706.: http://adsabs.harvard.edu/abs/1962ApPhL...1...82H
[26] ↑ Perry, T. S. (1995). «"M. George Craford [biography]"». IEEE Spectrum. 32 (2): p 52-55. doi:10.1109/6.343989.: https://dx.doi.org/10.1109%2F6.343989
[27] ↑ T. P. Pearsall; R. J. Capik; B. I. Miller; K. J. Bachmann (1976). «“Efficient lattice-matched double-heterostructure LEDs at 1.1 μm from GaxIn1−xAsyP1−y”». Appl. Phys. Lett. 28 (9). p. 499. doi:10.1063/1.88831.: http://citeweb.info/19760014595
[28] ↑ Rostky, George (16 de marzo de 1997). «LEDs cast Monsanto in Unfamiliar Role». Electronic Engineering Times (EETimes) (944). Este artículo trata trata sobre las negociaciones de las empresas HP y Monsanto en la fabricación de pantallas LED y diodos. Consultado el 14 diciembre de 2016.: http://www.datamath.org/Display/Monsanto.htm
[29] ↑ a b Schubert, E. Fred. (2003). «cap.1». Light-Emitting Diodes ["Diodos Emisores de Luz: Investigación, Fabricación y Aplicaciones V"]. Cambridge University Press. ISBN 0-8194-3956-8. |fechaacceso= requiere |url= (ayuda).
[33] ↑ Park, S. -I.; Xiong, Y.; Kim, R. -H.; Elvikis, P.; Meitl, M.; Kim, D. -H.; Wu, J.; Yoon, J.; Yu, C. -J.; Liu, Z.; Huang, Y.; Hwang, K. -C.; Ferreira, P.; Li, X.; Choquette, K.; Rogers, J. A. (2009). "Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays". Science. 325 (5943): 977-981. doi: 10.1126/science.1175690. PMID 19696346. Artículo de la revista Science sobre los distintos montajes de diodos emisores de luz inorgánicos para pantallas deformables y semitransparentes. Consultado el 14 de diciembre de 2016.: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_object_identifier
[35] ↑ Maruska; Rhines, Walden Clark (14 de mayo de 2015). «A modern perspective on the history of semiconductor nitride blue light sources». Solid-State Electronics 111 (septiembre 2015): 32-41. doi:10.1016/j.sse.2015.04.010.: https://dx.doi.org/10.1016/j.sse.2015.04.010
[41] ↑ Press Release, Página web oficial de los Premios Nobel. Asaki, Amano y Nakamura obtuvieron el Premio Nobel de Física el 7 de octubre de 2014 por su contribución al Led Azul y a la tecnología de los ledes de alta potencia.: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/press.html
[50] ↑ Mueller, Gerd (2000) Electroluminescence I, Academic Press, ISBN 0-12-752173-9, p. 67, "escape cone of light" from semiconductor, illustrations of light cones on p. 69.: https://books.google.com/books?id=2plxAU3tPj4C&lpg=PA67
[52] ↑ Capper, Peter; Mauk, Michael (2007). Liquid phase epitaxy of electronic, optical, and optoelectronic materials. Wiley. p. 389. ISBN 0-470-85290-9. «faceted structures are of interest for solar cells, LEDs, thermophotovoltaic devices, and detectors in that nonplanar surfaces and facets can enhance optical coupling and light-trapping effects, [with example microphotograph of a faceted crystal substrate].».: https://books.google.com/books?id=IfLGPRJDfqgC&lpg=PA389
[53] ↑ Dakin, John y Brown, Robert G. W. (eds.) Handbook of optoelectronics, Volume 2, Taylor & Francis, 2006 ISBN 0-7503-0646-7 p. 356, "Die shaping is a step towards the ideal solution, that of a point light source at the center of a spherical semiconductor die.".: https://books.google.com/books?id=3GmcgL7Z-6YC&lpg=PA356
[64] ↑ Efremov,A.A.; Bochkareva,N.I.; Gorbunov,R.I.; Lavrinovich,D.A.; Rebane,Y.T.; Tarkhin,D.V.; Shreter,Y.G. "Effect of the joule heating on the quantum efficiency and choice of thermal conditions for high-power blue InGaN/GaN LEDs", SpringerLink, mayo de 2006, Semiconductores volumen 40, publicación 5, pags 605-610, doi:10.1134/S1063782606050162.: https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1063782606050162
[68] ↑ Narendran, N.; Gu, Y. "Life of LED-based white light sources" 22 de agosto de 2005, IEEE Xplore, Journal of Display Technology, volumen 1, publicación 1, pag.167. BibCode:2005JDisT...1..167N,doi:10.1109/JDT.2005.852510.: http://adsabs.harvard.edu/abs/2005JDisT...1..167N
[69] ↑ a b Conway,K.M.; Bullough,J.D. Will LEDs transform traffic signals as they did exit signs? Conferencia anual del IESNA, 11 de agosto de 1999, Consultado en mayo de 2017.: http://www.lrc.rpi.edu/resources/pdf/57-1999.pdf
[82] ↑ Klipstein, Don. LED types by Color, Brightness, and Chemistry. Donklipstein.com. Consultado el 18 de junio de 2011. Consultado el 22 de mayo de 2017.: http://donklipstein.com/ledc.html
[85] ↑ Schubert, E. Fred Light-emitting diodes 2nd ed., Cambridge University Press, 2006 ISBN 0-521-86538-7 pp. 16-17.
[86] ↑ Stevenson, D; Rhines, W; Maruska, H; Stevenson, D; Maruska, H; Rhines, W (12 de marzo de 1973). Gallium nitride metal-semiconductor junction light emitting diode. Consultado el 20 de febrero de 2018.: https://patents.google.com/patent/US3819974
[91] ↑ Iwasa, Naruhito; Mukai, Takashi and Nakamura, Shuji Patente USPTO n.º 5578839 "Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device" Issue date: 26 de noviembre de 1996.: http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?patentnumber=5578839
[92] ↑ Stoddard, Tim (13 de diciembre de 2002). «Green light on blue light: Blue light technology remains BU’s intellectual property». B.U. Bridge, Week of 13 December 2002 · Vol. VI, No. 15. Consultado el 1 de marzo de 2017.: https://www.bu.edu/bridge/archive/2002/12-13/bluelight.htm
[93] ↑ Desruisseaux, Paul 2006 Millennium technology prize awarded to UCSB's Shuji Nakamura. Ia.ucsb.edu (15 de junio de 2006). Consultado el 22 de mayo de 2017.: http://www.ia.ucsb.edu/pa/display.aspx?pkey=1475
[100] ↑ Mori, M.; Hamamoto, A.; Takahashi, A.; Nakano, M.; Wakikawa, N.; Tachibana, S.; Ikehara, T.; Nakaya, Y.; Akutagawa, M.; Kinouchi, Y. (2007). «Development of a new water sterilization device with a 365 nm UV-LED». Medical & Biological Engineering & Computing 45 (12): 1237-1241. PMID 17978842. doi:10.1007/s11517-007-0263-1.: https://es.wikipedia.org//www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17978842
[103] ↑ zyvex.com/nanotech. «Richard P. Feynman, 'Hay mucho espacio en el fondo: una invitación para entrar en un nuevo campo de la física'» (en inglés). Consultado el 25 de julio de 2017.: http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
[105] ↑ L. Esaki, R. Tsu (1970). «Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors». IBM J. Res. Devel. 14: 61.: http://ieeexplore.ieee.org/document/5391729/
[106] ↑ Arakawa, Y.; H. Sakaki (1982). «Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current». =Appl. Phys. Lett. 40: 939.: http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.92959
[107] ↑ a b Valledor-Llopis, J. C., Campo-Rodríguez, F. J., Ferrero-Martín, A. M., Coto-García, M. T., Fernández-Argüelles, J. M., Costa-Fernández, A. Sanz-Medel (2011). «Dynamic analysis of the photoenhancement process of colloidal quantum dots with different surface modifications». =Nanotechnology 22: 385703.: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/22/38/385703/meta
[108] ↑ Con esta tecnología se inician, a partir del año 2002, aplicaciones para fabricar las pantallas de los dispositivos electrónicos (con LED de QD) Instituto Tecnológico de Massachusetts, 18 de diciembre de 2002.: http://web.mit.edu/newsoffice/2002/dot.html
[109] ↑ Neidhardt, H.; Wilhelm, L.; Zagrebnov, V. A. (febrero de 2015). «A New Model for Quantum Dot Light Emitting-Absorbing Bevices: Proofs and Supplements». Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics 6 (1): 6-45. doi:10.17586/2220-8054-2015-6-1-6-45. Consultado el 15 de mayo de 2017.: http://nanojournal.ifmo.ru/en/articles-2/volume6/6-1/invited-speakers/paper01/
[110] ↑ Colvin, V. L.; Schlamp, M. C.; Alivisatos, A. P. (1994). "Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer". Nature. http://www.nature.com/nature/journal/v370/n6488/abs/370354a0.html
[111] ↑ "Accidental Invention Points to End of Light Bulbs". LiveScience.com. 21 de octubre de 2005.
[112] ↑ Nanoco Signs Agreement with Major Japanese Electronics Company Archivado el 24 de junio de 2018 en Wayback Machine., 23 de septiembre de 2009.: http://www.nanowerk.com/news/newsid=12743.php
[114] ↑ Nanotechnologie Aktuell, pp. 98-99, v. 4, 2011, ISSN 1866-4997.
[115] ↑ Hoshino, K.; Gopal, A.; Glaz, M. S.; Vanden Bout, (2012). "Imagen de fluorescencia a nanoescala con electroluminiscencia de campo cercano de puntos cuánticos". http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4739235.: http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4739235
[125] ↑ http://www.ledsmagazine.com/articles/2006/11/seoul-semiconductor-launches-ac-led-lighting-source-acriche.html LEDS Magazine. 17 de noviembre de 2006. Recuperado el 17 de febrero de 2008. 128. https://web.archive.org/web/20130116003035/http://darksky.org/assets/documents/Reports/IDA-Blue-Rich-Light-White-Paper.pdf (PDF). International Dark-Sky Association. 4 de mayo del 2010. Tomado del original (PDF) el 16 de enero de 2013.: http://www.ledsmagazine.com/articles/2006/11/seoul-semiconductor-launches-ac-led-lighting-source-acriche.html
[126] ↑ https://web.archive.org/web/20130116003035/http://darksky.org/assets/documents/Reports/IDA-Blue-Rich-Light-White-Paper.pdf (PDF). International Dark-Sky Association. 4 de mayo del 2010. Tomado del original (PDF) el 16 de enero de 2013.
[130] ↑ Elektrotechnik Gesamtband Technische Mathematik Kommunikationselektronik (en alemán) (1ª edición). Westermann. 1997. p. 171. ISBN 3142212515. "Toda la banda eléctrica. Matemáticas técnicas. Electrónica de comunicaciones". Consultado el 14 de diciembre de 2016.
[131] ↑ «Fuentes de corriente constante». Escuela de Ingeniería de Éibar, Universidad del País Vasco (España). Escuela de Ingeniería de Éibar, Universidad del País Vasco (España). . Revisado el 25 de julio de 2017.: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/TEMA1.htm
[132] ↑ Schubert, E. Fred (2005). «Chapter 4». Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press. ISBN 0-8194-3956-8. Libro "Diodos Emisores de Luz: Investigación, Fabricación y Aplicaciones V". Consultado el 14 de diciembre de 2016.
[134] ↑ «Los pioneros del LED azul deslumbran al Comité del Nobel». www.wipo.int. Consultado el 7 de noviembre de 2024. - [https://www.wipo.int/wipo_magazine/es/2014/06/article_0001.html#:~:text=En%201986,%20Isamu%20Akasaki%20y,4855249).](https://www.wipo.int/wipo_magazine/es/2014/06/article_0001.html#:~:text=En%201986,%20Isamu%20Akasaki%20y,4855249).)
[135] ↑ Opinión de la Agencia Francesa de Seguridad Alimentaria, Medioambiental y Salud y Seguridad Ocupacional Este artículo nos muestra la opinión de la Agencia Francesa de Seguridad Alimentaria, Medioambiental y Salud y Seguridad Ocupacional (ANSES) de 2010, sobre las cuestiones sanitarias relacionadas con los LEDs. Consultado el 30 de julio de 2017.: https://www.anses.fr/en/content/led-%E2%80%93-light-emitting-diodes
[137] ↑ "Láseres: clases, riesgos y medidas de control" Universidad Politécnica de Valencia (2017). Consultado el 30 de julio de 2017.: http://www.sprl.upv.es/IOP_RF_01%28a%29.htm
[138] ↑ “Cabin lights take the heat off”: Este artículo nos habla sobre la investigación de la empresa Beadlight para hacer los LEDs más seguros. Consultado el 30 de julio de 2017.: http://www.controlengeurope.com/article.aspx?ArticleID=12395
[139] ↑ Lim, S. R.; Kang, D.; Ogunseitan, O. A.; Schoenung, J. M. (2011). «Potential Environmental Impacts of Light-Emitting Diodes (LEDs): Metallic Resources, Toxicity, and Hazardous Waste Classification». Environmental Science & Technology 45 (1): 320-327 2017. PMID 21138290. doi:10.1021/es101052q. . Consultado el 7 de mayo de 2017.: https://es.wikipedia.org//www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21138290
[143] ↑ Narra, Prathyusha; Zinger, D.S. (2004). «An effective LED dimming approach». Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2004 IEEE 3: 1671-1676. ISBN 0-7803-8486-5. doi:10.1109/IAS.2004.1348695. . Consultado el 4 de abril de 2017.: https://dx.doi.org/10.1109%2FIAS.2004.1348695
[148] ↑ Worthey, James A. Cómo trabaja la luz blanca LRO Lighting Research Symposium, Light and Color. Consultado el 4 de abril de 2017.: http://www.jimworthey.com/jimtalk2006feb.html
[149] ↑ Hecht, E. (2002). Optics (4 edición). Addison Wesley. p. 591. ISBN 0-19-510818-3.
[155] ↑ Luginbuhl, C. (2014). «The impact of light source spectral power distribution on sky glow». Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 139: 21-26. doi:10.1016/j.jqsrt.2013.12.004. . Consultado el 4 de abril de 2017.: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022407313004792
[156] ↑ Aubé, M.; Roby, J.; Kocifaj, M. (2013). «Evaluating Potential Spectral Impacts of Various Artificial Lights on Melatonin Suppression, Photosynthesis, and Star Visibility». PLOS ONE 8 (7): e67798. PMC 3702543. PMID 23861808. doi:10.1371/journal.pone.0067798. . Consultado el 4 de abril de 2017.: http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0067798
[160] ↑ Efremov, A. A.; Bochkareva, N. I.; Gorbunov, R. I.; Lavrinovich, D. A.; Rebane, Y. T.; Tarkhin, D. V.; Shreter, Y. G. (2006). "Effect of the joule heating on the quantum efficiency and choice of thermal conditions for high-power blue InGaN/GaN LEDs" (Efecto del Calentamiento Joule en la eficiencia cuántica y en la elección de las condiciones térmicas para los LEDs azules InGaN/GaN LED de alta potencia). Semiconductors. 40 (5): 605–610. doi 10.1134/S1063782606050162. Consultado el 4 de abril de 2017.: http://link.springer.com/article/10.1134%2FS1063782606050162
[162] ↑ Pawson, S. M.; Bader, M. K.-F. (2014). «LED Lighting Increases the Ecological Impact of Light Pollution Irrespective of Color Temperature». Ecological Applications 24 (7): 1561-1568. doi:10.1890/14-0468.1. Consultado el 4 de abril de 2017.: http://www.esajournals.org/doi/full/10.1890/14-0468.1
[169] ↑ «"CDC – NIOSH Publications and Products – Impact: NIOSH Light-Emitting Diode (LED) Cap Lamp Improves Illumination and Decreases Injury Risk for Underground Miners"». cdc.gov. (en inglés). Consultado el 29 de febrero de 2017.: https://www.cdc.gov/niosh/docs/2011-192/
[171] ↑ Fudin,M.S.; Mynbaev,K.D.; Aifantis,K.E.; Lipsanen,H.; Bougrov,V.E.; Romanov,A.E. Frequency characteristics of modern LED phosphor materials Artículo completo (Ruso)(PDF) Revista Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. noviembre-diciembre del 2014 Volumen 14, n.º 6. pag. 71. ISSN 2226-1494 (impreso), ISSN 2500-0373 (en línea). Consultado el 25 de abril de 2017.: http://ntv.ifmo.ru/en/article/11192/chastotnye_harakteristiki_sovremennyh_svetodiodnyh_lyuminofornyh_materialov.htm
[178] ↑ Dietz, P. H.; Yerazunis, W. S.; Leigh, D. L. (octubre de 2003). Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs. La referencia utiliza el parámetro obsoleto |mes= (ayuda).: http://www.merl.com/publications/TR2003-035/
[179] ↑ Goins, G. D.; Yorio, N. C.; Sanwo, M. M.; Brown, C. S. (1997). «Photomorphogenesis, photosynthesis, and seed yield of wheat plants grown under red light-emitting diodes (LEDs) with and without supplemental blue lighting». Journal of Experimental Botany 48 (7): 1407-1413. doi:10.1093/jxb/48.7.1407.: https://dx.doi.org/10.1093%2Fjxb%2F48.7.1407
[180] ↑ Schubert, E. Fred (2003). Light-emitting Diodes. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0521823307.
Estes díodos são hoje utilizados em aplicações tão variadas que abrangem todas as áreas tecnológicas atuais, desde a Bioengenharia, Medicina e Saúde,[9] passando pela nanotecnologia e computação quântica,[10] dispositivos eletrónicos ou iluminação na engenharia mineira; Entre os mais populares estão a retroiluminação de telas de TV e computador, bem como de dispositivos móveis[11][12], luzes de navegação de aeronaves, faróis de veículos, propagandas, iluminação geral, semáforos, lâmpadas piscantes e papéis de parede luminosos. Desde o início de 2017, as lâmpadas LED para iluminação doméstica são tão ou mais baratas que as lâmpadas fluorescentes compactas, com comportamento semelhante aos LED.[13] Elas também são mais eficientes em termos energéticos e, possivelmente, seu descarte como resíduo causa menos problemas ambientais.[14][15].
História
Descoberta e primeiros dispositivos
O fenômeno da eletroluminescência foi descoberto em 1907 pelo experimentador britânico Henry Joseph Round, dos Laboratórios Marconi, usando um cristal de carboneto de silício e um detector de bigode de gato. O inventor soviético Oleg Losev relatou a construção do primeiro LED em 1927. Sua pesquisa apareceu em revistas científicas soviéticas, alemãs e britânicas, mas a descoberta só foi posta em prática várias décadas depois. Kurt Lehovec, Carl Accardo e Edward Jamgochian interpretaram o mecanismo desses primeiros diodos LED em 1951, utilizando um aparelho que utilizava cristais de carboneto de silício, com gerador de pulsos e fonte de alimentação, e em 1953 com uma variante pura do cristal.
Rubin Braunstein da RCA relatou em 1955 sobre a emissão infravermelha do arsenieto de gálio (GaAs) e outras ligas semicondutoras. Braunstein observou que essa emissão foi gerada em diodos construídos a partir de ligas de antimoneto de gálio (GaSb), arsenieto de gálio (GaAs), fosfeto de índio (InP) e silício-germânio (SiGe) à temperatura ambiente e 77 Kelvin.
Em 1957, Braunstein também demonstrou que esses dispositivos rudimentares poderiam ser usados para estabelecer comunicação sem rádio em distâncias curtas. Como Kroemer aponta, Braunstein estabeleceu uma linha muito simples de comunicações ópticas:[18] ele pegou música de um toca-discos e a processou usando a eletrônica apropriada para modular a corrente contínua produzida por um diodo de arsenieto de gálio GaAs. A luz emitida pelo diodo GaAS foi capaz de sensibilizar um diodo de sulfeto de chumbo PbS "sulfeto de chumbo (II)") localizado a uma certa distância. O sinal assim gerado pelo diodo PbS foi introduzido em um amplificador de áudio e transmitido através de um alto-falante. Quando o feixe de luz foi interceptado entre os dois LEDs, a música parou. Esta montagem já prenunciava o uso de LEDs para comunicações ópticas.
Em setembro de 1961, James R. Biard e Gary Pittman, trabalhando na Texas Instruments (TI) em Dallas, Texas, descobriram radiação infravermelha (900 nm) de um diodo túnel que eles construíram usando um substrato de arsenieto de gálio (GaAs). Em outubro de 1961, eles demonstraram emissões de luz eficientes e acoplamento de sinal entre a junção pn do arsenieto. de gálio emissor de luz e um fotodetector eletricamente isolado construído a partir de um material semicondutor. Com base em suas descobertas, em 8 de agosto de 1962, Biard e Pittman produziram uma patente intitulada “Diodo radiante semicondutor” que descreveu como uma liga de zinco difundida durante o crescimento do cristal que forma o substrato de uma junção de LED p-n com um contato de cátodo suficientemente espaçado, permitiu a emissão eficiente de luz infravermelha em contato direto polarização.
Tendo em vista a importância de suas pesquisas, tal como aparecia em seus cadernos de engenharia e antes mesmo de comunicar seus resultados dos laboratórios da General Electric, Radio Corporation of America, IBM, Bell Laboratories ou do Lincoln Laboratory do Massachusetts Institute of Technology, o Escritório de Marcas e Patentes dos Estados Unidos concedeu-lhes uma patente para a invenção de diodos emissores de luz infravermelha de arsenieto de gálio (patente US3293513A dos EUA),[22] que são considerados os primeiros LEDs para uso prático. Imediatamente após o depósito da patente, a TI iniciou um projeto para fabricar os diodos infravermelhos. Em outubro de 1962, a Texas Instruments desenvolveu o primeiro LED comercial (o SNX-100), que usava um cristal de arseneto de gálio puro para emitir luz de 890 nm. Em outubro de 1963, a TI lançou o primeiro LED hemisférico comercial, o SNX-110.[23].
O primeiro LED com emissão no espectro visível (vermelho) foi desenvolvido em 1962 por Nick Holonyak Jr. quando trabalhava na General Electric. Holonyak relatou na revista Applied Physics Letters em 1º de dezembro de 1962. telecomunicações através de fibras ópticas. Para tanto, descobriu novos materiais semicondutores expressamente adaptados aos comprimentos de onda da referida transmissão através de fibras ópticas.[26].
Desenvolvimento inicial de negócios
Os primeiros LEDs comerciais foram geralmente usados para substituir lâmpadas incandescentes e lâmpadas indicadoras de néon, bem como em displays de sete segmentos.[27] Primeiro em equipamentos caros, como equipamentos eletrônicos e de testes de laboratório, e mais tarde em outros dispositivos elétricos, como televisores, rádios, telefones, calculadoras, bem como relógios de pulso. Até 1968, os LEDs visíveis e infravermelhos eram extremamente caros, da ordem de US$ 200 por unidade, por isso tinham pouco uso prático.[28] A Monsanto Company foi a primeira a produzir LEDs visíveis em massa, usando fosfeto de arsenieto de gálio (GaAsP) em 1968 para produzir LEDs vermelhos para indicadores.[28].
A Hewlett-Packard (HP) introduziu LEDs em 1968, inicialmente usando GaAsP fornecido pela Monsanto. Esses LEDs vermelhos eram brilhantes o suficiente para serem usados como indicadores, já que a luz emitida não era suficiente para iluminar uma área. As leituras nas calculadoras eram tão fracas que foram colocadas lentes de plástico sobre cada dígito para torná-los legíveis. Posteriormente, outras cores surgiram e foram amplamente utilizadas em gadgets e equipamentos. Na década de 1970, a Fairchild Optoelectronics fabricou dispositivos LED comercialmente bem-sucedidos por menos de cinco centavos cada. Esses dispositivos usavam chips semicondutores compostos fabricados usando o processo planar inventado por Jean Hoerni da Fairchild Semiconductor.[29][30] O processamento planar para fabricação de chips combinado com métodos de encapsulamento inovadores permitiu que a equipe liderada pelo pioneiro da optoeletrônica Thomas Brandt alcançasse as reduções de custos necessárias na Fairchild.[31] Esses métodos continuam a ser usados pelos fabricantes de LED.[32].
A maioria dos LEDs foi fabricada em pacotes típicos de 5 mm T1¾ e 3 mm T1, mas com o aumento da produção de energia, tornou-se cada vez mais necessário remover o excesso de calor para manter a confiabilidade.[33] Portanto, foi necessário projetar pacotes mais complexos projetados para obter uma dissipação de calor eficiente. Os encapsulamentos usados atualmente para LEDs de alta potência têm pouca semelhança com os dos primeiros LEDs.
led azul
Os LEDs azuis foram desenvolvidos pela primeira vez por Henry Paul Maruska da RCA em 1972 usando nitreto de gálio (GaN) em um substrato de safira.[34][35]
LEDs do tipo SiC (fabricados com carboneto de silício) começaram a ser comercializados pela Cree, Inc., Estados Unidos, em 1989.[36] No entanto, nenhum desses LEDs azuis era muito brilhante.
O primeiro LED azul de alto brilho foi apresentado por Shuji Nakamura da Nichia Corp. em 1994, a partir do material Nitreto de Índio-Gálio (InGaN). Por suas pesquisas, Nakamura, Akasaki e Amano receberam o Prêmio Nobel de Física.[39][40] Em 1995, Alberto Barbieri do laboratório da Universidade de Cardiff (Reino Unido) investigou a eficiência e confiabilidade de LEDs de alto brilho e como resultado da pesquisa obteve um LED com eletrodo de contato transparente usando óxido de índio e estanho (ITO) em fosfeto de alumínio-gálio-índio e arsenieto de gálio.
Em 2001[41] e 2002[42] foram realizados processos para cultivar LEDs de nitreto de gálio em silício. Como consequência destas investigações, em janeiro de 2012, a Osram lançou LEDs de nitreto de gálio-índio de alta potência cultivados num substrato de silício.[43].
LED branco e evolução
A obtenção de alta eficiência em LEDs azuis foi rapidamente seguida pelo desenvolvimento do primeiro LED branco. Em tal dispositivo, um “fósforo” de revestimento Y Al O: Ce (material fluorescente) (conhecido como YAG ou granada de ítrio-alumínio) absorve parte da emissão azul e gera luz amarela por fluorescência. De forma semelhante, é possível introduzir outros “fósforos” que geram luz verde ou vermelha por fluorescência. A mistura resultante de vermelho, verde e azul é percebida pelo olho humano como branca; Por outro lado, não seria possível apreciar objetos vermelhos ou verdes iluminando-os com o fósforo YAG, uma vez que este gera apenas luz amarela juntamente com um remanescente de luz azul.
Os primeiros LEDs brancos eram caros e ineficientes. No entanto, a intensidade da luz produzida pelos LEDs aumentou exponencialmente, com um tempo de duplicação ocorrendo aproximadamente a cada 36 meses desde a década de 1960 (de acordo com a Lei de Moore). Esta tendência é geralmente atribuída a um desenvolvimento paralelo de outras tecnologias de semicondutores e aos avanços na óptica e na ciência dos materiais, e foi chamada de lei de Haitz em homenagem a Roland Haitz.
A emissão de luz e a eficiência dos LEDs azuis e quase ultravioleta aumentaram, enquanto o custo dos dispositivos de iluminação fabricados com eles diminuiu, o que levou ao uso de LEDs de luz branca para iluminação. O fato é que eles estão substituindo a iluminação incandescente e fluorescente.[45][46].
Os LEDs brancos podem produzir 300 lúmens por watt elétrico e durar até 100.000 horas. Em comparação com as lâmpadas incandescentes, isto representa não apenas um enorme aumento na eficiência elétrica, mas também um custo semelhante ou inferior por lâmpada.[47].
Princípio de funcionamento
Uma junção PN pode fornecer uma corrente elétrica quando iluminada. Da mesma forma, uma junção PN atravessada por uma corrente contínua pode emitir fótons de luz. Existem duas maneiras de considerar o fenômeno da eletroluminescência. No segundo caso, isto poderia ser definido como a emissão de luz por um semicondutor quando sujeito a um campo elétrico. Os portadores de carga se recombinam em uma junção PN polarizada diretamente. Especificamente, os elétrons na região N cruzam a barreira de potencial e se recombinam com as lacunas na região P. Os elétrons livres estão na banda de condução enquanto as lacunas estão na banda de valência. Desta forma, o nível de energia dos buracos é inferior ao dos elétrons. Quando elétrons e buracos se recombinam, uma fração da energia é emitida na forma de calor e outra fração na forma de luz.
O fenômeno físico que ocorre em uma junção PN quando a corrente passa em polarização direta consiste, portanto, em uma sucessão de recombinações elétron-buraco. O fenômeno da recombinação é acompanhado pela emissão de energia. Nos diodos comuns de germânio ou silício, são produzidos fônons ou vibrações da estrutura cristalina do semicondutor que simplesmente contribuem para o seu aquecimento. No caso dos diodos LED, os materiais semicondutores são diferentes dos anteriores, por exemplo, sendo várias ligas do tipo III-V como arsenieto de gálio (AsGa), fosfeto de gálio") (PGa) ou fosfoarsenieto de gálio (PAsGa).
Nestes semicondutores, as recombinações que se desenvolvem nas junções PN eliminam o excesso de energia através da emissão de fótons de luz. A cor da luz emitida depende diretamente do seu comprimento de onda e é característica de cada liga específica. Atualmente, são fabricadas ligas que produzem fótons luminosos com comprimentos de onda em uma ampla faixa do espectro eletromagnético dentro do visível, infravermelho próximo e ultravioleta próximo. O que se consegue com esses materiais é modificar a largura de energia do bandgap, modificando assim o comprimento de onda do fóton emitido. Se o diodo LED estiver polarizado reversamente, o fenômeno de recombinação não ocorrerá, portanto não emitirá luz. A polarização reversa pode danificar o diodo.
O comportamento elétrico do diodo LED na polarização direta é o seguinte. Se a tensão de polarização for aumentada, a partir de um determinado valor (que depende do tipo de material semicondutor), o LED começa a emitir fótons, a tensão de ligação foi atingida. Os elétrons podem se mover através da junção aplicando diferentes voltagens aos eletrodos; Assim, inicia-se a emissão de fótons e à medida que a tensão de polarização aumenta, a intensidade da luz emitida aumenta. Este aumento na intensidade luminosa está associado ao aumento na intensidade da corrente e pode ser diminuído pela recombinação Auger. Durante o processo de recombinação, o elétron salta da banda de condução para a banda de valência, emitindo um fóton e acessando, por conservação de energia e momento, um nível de energia inferior, abaixo do nível de Fermi do material. O processo de emissão é denominado recombinação radiativa, que corresponde ao fenômeno da emissão espontânea. Assim, em cada recombinação radiativa elétron-buraco, é emitido um fóton de energia igual à largura em energias do bandgap:.
onde c é a velocidade da luz e f e λ são a frequência e o comprimento de onda, respectivamente, da luz que ela emite. Esta descrição da base da emissão de radiação eletromagnética pelo diodo LED pode ser vista na figura onde é feita uma representação esquemática da junção PN do material semicondutor juntamente com o diagrama de energia, envolvido no processo de recombinação e emissão de luz, na parte inferior do desenho. O comprimento de onda da luz emitida e, portanto, sua cor, depende da largura do bandgap de energia. Os substratos mais importantes disponíveis para aplicação em emissão de luz são GaAs e InP. Os diodos LED podem reduzir sua eficiência se seus picos de absorção e emissão espectral dependendo de seu comprimento de onda forem muito próximos, como é o caso dos LEDs GaAs:Zn (arseneto de gálio dopado com zinco), pois parte da luz que eles emitem é absorvida internamente.
Os materiais utilizados para LEDs possuem um band gap na polarização direta cuja largura em energias varia da luz infravermelha à luz visível ou mesmo à luz ultravioleta próxima. A evolução dos LEDs começou com dispositivos infravermelhos e de arsenieto de gálio vermelho. Os avanços na ciência dos materiais tornaram possível a fabricação de dispositivos com comprimentos de onda cada vez mais curtos, emitindo luz em uma ampla gama de cores. Os LEDs são geralmente fabricados sobre um substrato tipo N, com um eletrodo conectado à camada tipo P depositada em sua superfície. Substratos do tipo P, embora menos comuns, também são fabricados.
Tecnologia
Fundação física
Um LED começa a emitir quando uma tensão de 2-3 volts é aplicada a ele. Na polarização reversa, um eixo vertical diferente é usado na polarização direta para mostrar que a corrente absorvida é praticamente constante com a tensão até que ocorra a ruptura.
O LED é um diodo constituído por um chip semicondutor dopado "Doping (semicondutores)") com impurezas que criam uma junção PN. Como em outros diodos, a corrente flui facilmente do lado p, ou ânodo, para o lado n, ou cátodo, mas não na direção oposta. Portadores de carga (elétrons e lacunas) fluem para a junção a partir de dois eletrodos ajustados em tensões diferentes (tensão (eletricidade)). Quando um elétron se recombina com uma lacuna, seu nível de energia cai e o excesso de energia é liberado na forma de um fóton. O comprimento de onda da luz emitida e, portanto, a cor do LED, depende da largura de energia do bandgap correspondente aos materiais que compõem a junção pn.
Nos diodos de silício ou germânio, elétrons e buracos se recombinam, gerando uma transição não radiativa, que não produz nenhuma emissão de luz, por serem materiais semicondutores com bandgap indireto. Os materiais utilizados nos LEDs possuem um bandgap direto com uma largura de energia que corresponde ao espectro de luz do infravermelho próximo (800-2500 nm), do visível e do ultravioleta próximo (200-400 nm).
O desenvolvimento dos LEDs começou com dispositivos de luz vermelha e infravermelha, feitos com arseneto de gálio (GaAs). Os avanços na ciência dos materiais tornaram possível a construção de dispositivos com comprimentos de onda cada vez menores, emitindo luz em uma ampla gama de cores.
Os LEDs são geralmente feitos de um substrato tipo n, com um dos eletrodos ligado à camada tipo p depositada em sua superfície. Substratos do tipo P também são usados, embora sejam menos comuns. Muitos LEDs comerciais, especialmente GaN/InGaN, também usam safira (óxido de alumínio) como substrato.
A maioria dos materiais semicondutores utilizados na fabricação de LEDs possui um índice de refração muito alto. Isto implica que a maior parte da luz emitida no interior do semicondutor é refletida quando atinge a superfície externa que está em contato com o ar por um fenômeno de reflexão interna total. A extracção de luz constitui, portanto, um aspecto muito importante e em constante investigação e desenvolvimento a ter em consideração na produção de LEDs.
índice de refração
A maioria dos materiais semicondutores utilizados na fabricação de LEDs possuem um índice de refração muito alto em relação ao ar. Isto implica que a maior parte da luz emitida no interior do semicondutor será refletida quando atingir a superfície externa que está em contato com o ar por um fenômeno de reflexão interna total.
Este fenômeno afeta tanto a eficiência de emissão de luz dos LEDs quanto a eficiência de absorção de luz das células fotovoltaicas. O índice de refração do silício é 3,96 (a 590 nm),[48] enquanto o do ar é 1,0002926.[48] A extração de luz constitui, portanto, um aspecto muito importante e em constante pesquisa e desenvolvimento a ser levado em consideração na produção de LEDs.
Em geral, um chip semicondutor LED de superfície plana não revestido emitirá luz apenas na direção perpendicular à superfície do semicondutor e em direções muito próximas, formando um cone chamado cone de luz[49] ou cone de escape.[50] O ângulo máximo de incidência que permite que os fótons escapem do semicondutor é conhecido como ângulo crítico. Quando este ângulo é excedido, os fótons não escapam mais do semicondutor, mas são refletidos dentro do cristal semicondutor como se houvesse um espelho na superfície externa.[50].
Devido à reflexão interna, a luz que foi refletida internamente em uma face pode escapar através de outras faces do cristal se o ângulo de incidência agora se tornar suficientemente baixo e o cristal for suficientemente transparente para não refletir a emissão de fótons de volta para dentro. No entanto, em um LED cúbico simples com superfícies externas a 90 graus, todas as faces atuam como espelhos com ângulos iguais. Neste caso, a maior parte da luz não consegue escapar e é perdida como calor dentro do cristal semicondutor.[50].
Um chip que possui facetas angulares em sua superfície semelhantes às de uma joia lapidada ou de uma lente Fresnel pode aumentar a saída de luz, permitindo sua emissão em orientações perpendiculares às facetas externas do chip, normalmente mais numerosas do que as únicas seis em uma amostra cúbica.
A forma ideal de um semicondutor para obter a máxima emissão de luz seria a de uma microesfera") com a emissão dos fótons localizada exatamente no centro dela, e equipada com eletrodos que penetram no centro para se conectar com o ponto de emissão. Todos os raios de luz que partem do centro seriam perpendiculares à superfície da esfera, o que não resultaria em reflexões internas. Um semicondutor hemisférico também funcionaria corretamente, pois a parte plana funcionaria como um espelho para refletir os fótons para que toda a luz poderia ser emitido completamente através do hemisfério.[52].
Depois de construir um wafer "Wafer (eletrônico)") de material semicondutor, ele é cortado em pequenos fragmentos. Cada fragmento é chamado de chip e se torna a pequena parte ativa de um diodo LED emissor de luz.
Muitos chips semicondutores de LED são encapsulados ou incorporados em invólucros de plástico moldado. O invólucro de plástico visa atingir três propósitos:
Facilitar a montagem do chip semicondutor em dispositivos de iluminação.
Proteja a frágil fiação elétrica associada ao diodo contra danos físicos.
Atuar como elemento intermediário para o efeito de refração entre o alto índice do semicondutor e o do ar.
A terceira característica contribui para aumentar a emissão de luz do semicondutor por atuar como uma lente difusora, permitindo que a luz seja emitida para o exterior com um ângulo de incidência na parede externa muito maior que o do cone estreito de luz proveniente do chip não revestido.
Eficiência e parâmetros operacionais
Os LEDs são projetados para operar com energia elétrica não superior a 30-60 miliwatts (mW). Por volta de 1999, a Philips Lumileds introduziu LEDs mais potentes, capazes de funcionar continuamente com uma potência de um watt. Esses LEDs usavam semicondutores cortados muito maiores para aceitar fontes de alimentação mais altas. Além disso, foram montados em hastes metálicas para facilitar a remoção de calor.
Uma das principais vantagens das fontes de iluminação baseadas em LED é a elevada eficiência luminosa. Os LEDs brancos rapidamente igualaram e até superaram a eficiência dos sistemas de iluminação incandescente padrão. Em 2002, a Lumileds fabricou LEDs de cinco watts, com eficiência luminosa de 18-22 lúmens por watt (lm/W). Para efeito de comparação, uma lâmpada incandescente convencional de 60-100 watts emite cerca de 15 lm/W, e as lâmpadas fluorescentes padrão emitem até 100 lm/W.
Em 2012, Future Lighting Solutions "alcançou as seguintes eficiências para algumas cores. Os valores de eficiência mostram a potência luminosa produzida por watt de energia elétrica de entrada. Os valores de eficiência luminosa incluem as características do olho humano e foram deduzidos da função de luminosidade.
Em setembro de 2003, a Cree Inc." fabricou um novo tipo de LED azul que consumiu 24 miliwatts (mW) a 20 miliamperes (mA). Isso permitiu um novo encapsulamento de luz branca que produziu 65 lm/W a 20 miliamperes, tornando-o o LED branco mais brilhante disponível no mercado; também foi mais de quatro vezes mais eficiente do que as lâmpadas incandescentes padrão. Em 2006, eles introduziram um protótipo de LED branco com uma eficiência luminosa recorde de 131 lm/W para uma corrente de 20 miliamperes) desenvolveu um LED branco com eficiência luminosa de 150 lm/W e corrente contínua de 20 mA. Os LEDs da empresa Cree Inc., chamados xlamp xm-L, chegaram ao mercado em 2011, produzindo 100 lm/W na potência máxima de 10 W, e até 160 lm/W com uma potência elétrica de entrada de cerca de 2 W. Em 2012, a Cree Inc. 2014.[56] Na prática, as necessidades gerais de iluminação exigem LEDs de alta potência, um watt ou mais. Eles operam com correntes superiores a 350 miliamperes.
Essas eficiências referem-se à luz emitida pelo diodo mantido em baixa temperatura no laboratório. Como os LEDs, uma vez instalados, operam em altas temperaturas e com perdas de condução, a eficiência é, na verdade, muito menor. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) realizou testes para substituir lâmpadas incandescentes ou CFLs por lâmpadas LED, mostrando que a eficiência média alcançada é de cerca de 46 lm/W em 2009 (o comportamento durante os testes permaneceu dentro de uma faixa de 17 lm/W a 79 lm/W).[57].
Quando a corrente elétrica fornecida a um LED ultrapassa algumas dezenas de miliamperes, a eficiência luminosa diminui devido a um efeito denominado perda de eficiência.
Análise de meia-vida e falhas
Dispositivos de estado sólido, como LEDs, têm obsolescência muito limitada se operados em baixas correntes e baixas temperaturas. A vida útil é de 25.000 a 100.000 horas, mas a influência do calor e da corrente pode aumentar ou diminuir significativamente esse tempo.[66].
A falha mais comum dos LEDs (e diodos laser) é a redução gradual da emissão de luz e a perda de eficiência. Os primeiros LEDs vermelhos destacaram-se pela curta vida útil. Com o desenvolvimento de LEDs de alta potência, os dispositivos estão sujeitos a temperaturas de junção mais altas e densidades de corrente mais altas do que os dispositivos tradicionais. Isso causa tensão no material e pode causar degradação precoce da saída de luz. Para classificar quantitativamente a vida útil de forma padronizada, sugeriu-se a utilização dos parâmetros L70 ou L50, que representam os tempos de vida (expressos em milhares de horas) em que um determinado LED atinge 70% e 50% da emissão luminosa inicial, respectivamente.[67].
Tal como na maioria das fontes de luz anteriores (lâmpadas incandescentes, lâmpadas de descarga e aquelas que queimam combustível, por exemplo velas e lamparinas a óleo), a luz era gerada por um processo térmico, os LED só funcionam corretamente se forem mantidos suficientemente frios. O fabricante geralmente especifica uma temperatura máxima de junção entre 125 e 150°C, e temperaturas mais baixas são recomendadas no interesse de alcançar vida longa para os LEDs. A estas temperaturas, relativamente pouco calor é perdido através da radiação, o que significa que o feixe de luz gerado por um LED é considerado frio.
O calor residual em um LED de alta potência (que a partir de 2015 pode ser considerado menos da metade da energia elétrica que consome) é transportado por condução através do substrato e encapsulamento para um dissipador de calor, que remove o calor para o ambiente por convecção. É portanto essencial realizar um design térmico cuidadoso, tendo em conta as resistências térmicas do encapsulamento do LED, do dissipador de calor e da interface entre os dois. Os LEDs de média potência são normalmente projetados para serem soldados diretamente a uma placa de circuito impresso que possui uma camada de metal termicamente condutora. LEDs de alta potência são encapsulados em embalagens cerâmicas de grande área superficial projetadas para serem conectadas a um dissipador de calor metálico, sendo a interface um material com alta condutividade térmica (pasta térmica, material de mudança de fase, almofada térmica condutora) ou cola quente).
Se uma lâmpada LED for instalada em uma luminária sem ventilação, ou se o ambiente não tiver circulação de ar fresco, os LEDs poderão superaquecer, reduzindo sua vida útil ou até mesmo causando deterioração precoce da luminária. O projeto térmico normalmente é projetado para uma temperatura ambiente de 25°C (77°F). Os LEDs usados em aplicações externas, como sinais de trânsito ou luzes de marcação de pavimentos, e em climas onde a temperatura dentro da luminária é muito alta, podem sofrer qualquer coisa, desde uma saída luminosa reduzida até uma falha completa.[68].
Cores e materiais
Contenido
Los ledes convencionales están fabricados a partir de una gran variedad de materiales semiconductores inorgánicos. En la siguiente tabla se muestran los colores disponibles con su margen de longitudes de onda, diferencias de potencial de trabajo y materiales empleados.
Azul e ultravioleta
O primeiro LED azul-violeta usou cloro dopado com magnésio e foi desenvolvido por Herb Maruska e Wally Rhines na Universidade de Stanford em 1972, estudantes de doutorado em ciência e engenharia de materiais. Naquela época Maruska trabalhava nos laboratórios RCA, onde colaborou com Jacques Pankove. Em 1971, um ano depois de Maruska ter partido para Stanford, seus colegas da RCA Pankove e Ed Miller demonstraram a primeira eletroluminescência azul de zinco dopado com nitreto de gálio; No entanto, o dispositivo que Pankove e Miller construíram, o primeiro verdadeiro diodo emissor de luz de nitreto de gálio, emitiu luz verde. Em 1974, o Escritório de Patentes dos EUA concedeu a Maruska, Rhines e ao professor de Stanford David Stevenson uma patente (patente dos EUA US3819974 A) [85] para seu trabalho de 1972 sobre dopagem de nitreto de gálio com magnésio que hoje continua a ser a base de todos os LEDs azuis comerciais e diodos laser. Esses dispositivos construídos na década de 1970 não tinham saída luminosa suficiente para uso prático, então a pesquisa sobre diodos de nitreto de gálio desacelerou. Em agosto de 1989, Cree introduziu o primeiro LED azul comercial com uma transição indireta através do bandgap em um semicondutor de carboneto de silício (SiC).[86][87] Os LEDs de SiC têm uma eficiência luminosa muito baixa, não mais que 0,03%, mas emitem na região azul visível.
No final da década de 1980, avanços no crescimento epitaxial e na dopagem do tipo p em GaN inauguraram a era moderna dos dispositivos optoeletrônicos de GaN. Com base no acima exposto, Theodore Moustakas patenteou um método de produção de LEDs azuis na Universidade de Boston usando um novo processo de duas etapas. Dois anos depois, em 1993, LEDs azuis de alta intensidade foram adquiridos por Shuji Nakamura da Nichia Corporation usando processos de síntese de GaN semelhantes aos de Moustakas. Moustakas e Nakamura receberam patentes separadas, levando a conflitos jurídicos entre eles. Nichia e a Universidade de Boston (especialmente porque, embora Moustakas tenha inventado seu processo primeiro, Nakamura registrou o seu antes). Este novo desenvolvimento revolucionou a iluminação LED, tornando mais rentável o fabrico de fontes de luz azul de alta potência, levando ao desenvolvimento de tecnologias como o Blu-ray e permitindo ecrãs brilhantes e de alta resolução de tablets e telefones modernos.
Nakamura recebeu o Prêmio Millennium Technology por sua contribuição à tecnologia LED de alta potência e alto desempenho. Ele também recebeu, junto com Hiroshi Amano e Isamu Akasaki, o Prêmio Nobel de Física em 2014 por sua contribuição decisiva para LEDs de alto desempenho e LEDs azuis. [97]
No final da década de 90, já existiam LEDs azuis. Eles apresentam uma região ativa que consiste em um ou mais poços quânticos de InGaN imprensados entre folhas mais espessas de GaN, chamadas bainhas. Ao variar a fração In/Ga nos poços quânticos InGaN, a emissão de luz pode, em teoria, ser alterada de violeta para âmbar. O nitreto de alumínio e gálio AlGaN com conteúdo variável da fração Al/Ga pode ser usado para fabricar a bainha e as folhas de poços quânticos para diodos UV, mas esses dispositivos ainda não atingiram o nível de eficiência e maturidade tecnológica dos dispositivos InGaN/GaN azuis/verdes. Se o GaN for utilizado sem dopagem, para formar as camadas ativas dos poços quânticos o dispositivo emite luz próxima do ultravioleta com pico centrado em comprimento de onda em torno de 365 nm. Os LED verdes fabricados no modo InGaN/GaN são muito mais eficientes e brilhantes do que os LEDs produzidos com sistemas sem nitreto, mas estes dispositivos ainda têm uma eficiência muito baixa para aplicações de alto brilho.
Usando nitretos de alumínio, como AlGaN e AlGaInN, comprimentos de onda ainda mais curtos são alcançados. Uma gama de LEDs UV para diferentes comprimentos de onda está começando a ser disponibilizada no mercado. LEDs com emissão próxima de UV com comprimentos de onda em torno de 375-395 nm já são suficientemente baratos e podem ser facilmente encontrados, por exemplo, para substituir lâmpadas de luz negra na inspeção de marcas d'água UV anti-falsificação em alguns documentos e em papel-moeda. Diodos de comprimento de onda mais curtos (até 240 nm),[98] estão atualmente no mercado, embora sejam visivelmente mais caros.
Como a fotossensibilidade dos microrganismos coincide aproximadamente com o espectro de absorção do DNA (com pico em torno de 260 nm), espera-se a utilização de LEDs UV com emissão na região de 250-270 nm em equipamentos de desinfecção e esterilização. Pesquisas recentes mostraram que LEDs UV disponíveis comercialmente (365 nm) são eficazes em dispositivos de desinfecção e esterilização. Os comprimentos de onda UV-C foram obtidos em laboratórios usando nitreto de alumínio (210 nm), nitreto de boro (215 nm) e diamante (235 nm).
RGB
Os LEDs RGB consistem em um LED vermelho, um azul e um verde. Ao ajustar independentemente cada um deles, os LEDs RGB são capazes de produzir uma ampla gama de cores. Ao contrário dos LEDs dedicados a uma única cor, os LEDs RGB não produzem comprimentos de onda puros. Além disso, os módulos disponíveis comercialmente normalmente não são otimizados para misturas suaves de cores.
Sistemas RGB
Sistemas RGB.
Existem duas maneiras básicas de produzir luz branca. Uma delas é usar LEDs individuais que emitem as três cores primárias (vermelho, verde e azul) e depois misturar as cores para formar a luz branca. A outra maneira é usar um fósforo para converter a luz monocromática de um LED azul ou UV em um amplo espectro de luz branca. É importante ter em mente que a brancura da luz produzida é essencialmente concebida para satisfazer o olho humano e dependendo de cada caso pode nem sempre ser apropriado pensar que se trata de luz estritamente branca. A grande variedade de brancos que se conseguem com as lâmpadas fluorescentes serve de referência.
Existem três métodos principais de produção de luz branca com LEDs.
• - LED azul + LED verde + LED vermelho (mistura de cores; embora possa ser usado como retroiluminação de telas) para iluminação são muito ruins devido aos intervalos vazios no espectro de frequência).
• - LED UV próximo ou fósforo UV + RGB (uma luz LED que gera um comprimento de onda menor que o azul é usada para excitar um fósforo RGB).
• - LED azul + fósforo amarelo (duas cores complementares se combinam para produzir luz branca; é mais eficiente que os dois primeiros métodos e, portanto, mais utilizado na prática).
Devido ao metamerismo "Metamerismo (cor)"), é possível ter diferentes espectros que aparecem em branco. No entanto, a aparência dos objetos iluminados por essa luz pode ser modificada conforme o espectro varia. Este fenômeno óptico é conhecido como execução de cor, é diferente da temperatura da cor e faz com que um objeto verdadeiramente laranja ou ciano pareça ser de outra cor e muito mais escuro, pois o LED ou o fósforo associado não emite esses comprimentos de onda. A melhor reprodução de cores com CFL e LED é obtida usando uma mistura de fósforos, que proporciona menor eficiência, mas melhor qualidade de luz. Embora o halogênio com a temperatura de cor mais alta seja o laranja, ainda é a melhor fonte de luz artificial disponível em termos de execução de cores.
A luz branca pode ser produzida adicionando luzes de cores diferentes; O método mais comum é o uso de vermelho, verde e azul (RGB). Portanto, o método é chamado de LEDs brancos multicoloridos (às vezes conhecidos como LEDs RGB). Porque exigem circuitos eletrônicos para controlar a mistura e difusão de cores diferentes, e porque os LEDs de cores individuais têm padrões de emissão ligeiramente diferentes (levando à variação de cores dependendo da direção de visualização), mesmo se fabricados em uma única unidade, eles raramente são usados para produzir luz branca. Porém, este método tem muitas aplicações pela flexibilidade que apresenta na produção de mistura de cores[100] e, em princípio, por oferecer maior eficiência quântica na produção de luz branca.
Existem vários tipos de LEDs brancos multicoloridos: LEDs brancos di-, tri- e tetracromáticos. Vários factores-chave influenciam estas diferentes realizações, tais como a estabilidade da cor, o índice de reprodução de cor natural e a eficiência luminosa. Frequentemente, uma maior eficiência luminosa implicará uma menor naturalidade da cor, criando assim um compromisso entre a eficiência luminosa e a naturalidade das cores. Por exemplo, os LED brancos dicromáticos têm a melhor eficiência luminosa (120 lm/W), mas a menor capacidade de reprodução de cores. Por outro lado, os LED tetracromáticos brancos oferecem excelente capacidade de reprodução de cores, mas são frequentemente acompanhados de baixa eficiência luminosa. Os LED brancos tricromáticos encontram-se numa posição intermédia, apresentam boa eficiência luminosa (> 70 lm/W) e razoável capacidade de reprodução de cores.
LEDs à base de fósforo
Este método envolve o revestimento de LEDs de uma cor (principalmente LEDs InGaN azuis) com fósforos de cores diferentes para produzir luz branca; Os LEDs resultantes da combinação são chamados de LEDs brancos à base de fósforo ou LEDs brancos com conversor de fósforo (PCLED). Uma fração da luz azul sofre o deslocamento de Stokes, que transforma comprimentos de onda mais curtos em comprimentos de onda mais longos. Dependendo da cor do LED original, podem ser utilizados fósforos de cores diferentes. Se forem aplicadas várias camadas de fósforos de cores diferentes, o espectro de emissão é ampliado, aumentando efetivamente o valor do índice de reprodução de cores (CRI) de um determinado LED.
As perdas de eficiência dos LEDs à base de fósforo (com substâncias fluorescentes) devem-se às perdas de calor geradas pelo deslocamento de Stokes e também a outros problemas de degradação relacionados com as referidas substâncias fluorescentes. Em comparação com os LEDs normais, as suas eficiências luminosas dependem da distribuição espectral da saída de luz resultante e do comprimento de onda original do próprio LED. Por exemplo, a eficiência luminosa de um fósforo YAG amarelo típico de um LED branco é de 3 a 5 vezes a eficiência luminosa do LED azul original, devido à maior sensibilidade do olho humano para a cor amarela do que para a cor azul (dependendo do modelo de função de luminosidade). Devido à simplicidade de sua fabricação, o método do fósforo (material fluorescente) continua sendo o mais popular para obter LEDs brancos de alta intensidade. O projeto e a produção de uma fonte de luz ou lâmpada usando um emissor monocromático com conversão de fósforo fluorescente é mais simples e barato do que um sistema RGB complexo, e a maioria dos LEDs brancos de alta intensidade no mercado hoje são fabricados usando conversão de luz fluorescente.
Entre os desafios que surgem para melhorar a eficiência das fontes de luz branca baseadas em LED está o desenvolvimento de substâncias fluorescentes mais eficientes (fósforos). A partir de 2010, o fósforo amarelo mais eficiente continua a ser o fósforo YAG, que tem uma perda por deslocamento de Stokes inferior a 10%. As perdas ópticas internas devido à reabsorção no próprio chip do LED e no encapsulamento do LED constituem 10% a 30% da perda de eficiência. Atualmente, na área de desenvolvimento de fósforo, um grande esforço é dedicado à sua otimização, a fim de alcançar maior produção de luz e temperaturas operacionais mais elevadas. Por exemplo, a eficiência pode ser aumentada através de um melhor design de encapsulamento ou usando um tipo de fósforo mais adequado. O processo de revestimento de ajuste é normalmente utilizado para poder regular a espessura variável do fósforo.
Alguns LEDs de fósforo branco consistem em LEDs InGaN azuis encapsulados em uma resina epóxi revestida com fósforo. Outra opção é associar o LED a um fósforo separado, uma peça pré-fabricada de policarbonato pré-formado revestida com o material fosforoso. Os fósforos separados fornecem luz mais difusa, o que é favorável para muitas aplicações. Projetos com fósforos separados também são mais tolerantes às variações no espectro de emissão do LED. Um material de fósforo amarelo muito comum é a granada de ítrio-alumínio dopada com cério (Ce 3+:YAG).
Outros LEDs brancos
Outro método utilizado para produzir LEDs experimentais de luz branca sem o uso de fósforos é baseado na epitaxia do crescimento de seleneto de zinco (ZnSe) em um substrato ZnSe que emite simultaneamente luz azul de sua região ativa e luz amarela do substrato.
Uma nova forma de produzir LEDs brancos é usar wafers "Wafer (eletrônicos)") compostos de nitreto de gálio sobre silício a partir de wafers de silício de 200 mm. Isto evita a dispendiosa fabricação de substratos de safira a partir de wafers de tamanhos relativamente pequenos, isto é, 100 ou 150 mm. O aparelho de safira deve ser acoplado a um coletor espelhado para refletir a luz, que de outra forma seria perdida. Prevê-se que até 2020, 40% de todos os LEDs GaN serão fabricados em silício. Fabricar safiras grandes é difícil, enquanto o silício grande é barato e mais abundante. Por outro lado, os fabricantes de LED que mudam da safira para o silício devem fazer um investimento mínimo.
LEDs orgânicos (OLED)
Em um diodo orgânico emissor de luz (OLED), o material eletroluminescente que compõe a camada emissora do diodo é um composto orgânico. O material orgânico é condutor devido à deslocalização eletrônica das ligações pi causada pelo sistema conjugado em toda ou parte da molécula; Consequentemente, o material funciona como um semicondutor orgânico. Os materiais orgânicos podem ser pequenas moléculas orgânicas na fase cristalina ou polímeros.
Uma das vantagens possibilitadas pelos OLEDs são telas finas e de baixo custo, com baixa tensão de alimentação, amplo ângulo de visão, alto contraste e ampla gama de cores. Os LEDs de polímero têm a vantagem adicional de permitir exibições flexíveis e imprimíveis. Os OLEDs têm sido usados na fabricação de displays visuais para dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares, câmeras digitais e tocadores de MP3, e possíveis usos futuros também são considerados para incluir iluminação e televisão.
LEDs de pontos quânticos
No início da década de 60 começou uma década de revolução tecnológica com o nascimento da Internet e a descoberta dos LEDs no espectro visível. Em 1959, o Prêmio Nobel de Física Richard P. Feynman, em sua famosa palestra proferida na reunião anual da Associação Física dos Estados Unidos intitulada: “Há muito espaço no fundo: um convite para entrar em um novo campo da física”, já antecipava a revolução tecnológica e as importantes descobertas que poderiam envolver a manipulação de materiais até que fossem reduzidos a tamanhos ou escalas atômicas ou moleculares. Mas foi somente na década seguinte, na década de 1970, que o conhecimento de inúmeras aplicações se tornou conhecido. da mecânica quântica (cerca de 70 anos após sua invenção) juntamente com o avanço das técnicas de crescimento e síntese de materiais, representam uma mudança importante nas linhas de pesquisa de numerosos grupos.[103].
Já nesta década, a capacidade de projetar estruturas com novas propriedades ópticas e eletrônicas foi aliada à busca de novas aplicações tecnológicas para materiais já existentes na natureza. Na verdade, em 1969, L. Esaki et al. propuseram a implementação de heteroestruturas formadas por camadas muito finas de diferentes materiais, dando origem ao que é conhecido como engenharia e projeto de bandas de energia em materiais semicondutores.[104] A heteroestrutura de pequena dimensão mais básica é o poço quântico (Quantum Well, QW). Consiste em uma fina camada de um determinado semicondutor, da ordem de 100 Å, confinada entre duas camadas de outro material semicondutor caracterizado por uma maior largura da banda de energia proibida (bandgap, BG). Devido às pequenas dimensões do poço de potencial associado a esta estrutura, os portadores ficam restritos em seu movimento a um plano perpendicular à direção de crescimento. Os diodos laser com QWs na zona ativa apresentavam grandes vantagens, como a capacidade de selecionar o comprimento de onda de emissão com base na largura do poço ou na diminuição da corrente de limiar, esta última relacionada à densidade de estados resultante do confinamento em um plano.[105].
Todos estes avanços foram seguidos naturalmente por outros como o estudo de sistemas com confinamento em três dimensões, ou seja, pontos quânticos (QDs). Assim, os QDs podem ser definidos como sistemas artificiais de tamanho muito pequeno, de algumas dezenas de nanômetros a alguns mícrons, nos quais os portadores estão confinados nas três direções do espaço tridimensional (por isso são chamados de dimensão zero), em uma região do espaço menor que seu comprimento de onda de Broglie.
Quando o tamanho do material semicondutor que constitui o ponto quântico está dentro da escala nanométrica, este material apresenta um comportamento diferente daquele observado para ele em escala macroscópica ou para os átomos individuais que o compõem. Os elétrons no nanomaterial estão restritos a se moverem em uma região muito pequena do espaço e são considerados confinados. Quando esta região é tão pequena que é comparável ao comprimento de onda associado ao elétron (o comprimento de De Broglie), então o que é chamado de comportamento quântico começa a ser observado. Nestes sistemas, suas propriedades físicas não são explicadas com conceitos clássicos, mas são explicadas através dos conceitos da mecânica quântica.[106] Por exemplo, a energia potencial mínima de um eletrão confinado numa nanopartícula é maior do que a esperada na física clássica e os níveis de energia dos seus diferentes estados eletrónicos são discretos. Devido ao confinamento quântico, o tamanho da partícula tem um efeito fundamental na densidade dos estados eletrônicos e, portanto, na sua resposta óptica. O confinamento quântico ocorre quando o tamanho das partículas foi reduzido até se aproximar do raio do exciton de Bohr (gerando um par elétron-buraco ou exciton no material semicondutor), deixando-o confinado em um espaço muito pequeno. Como consequência, a estrutura dos níveis de energia e as propriedades ópticas e elétricas do material são consideravelmente modificadas. Os níveis de energia tornam-se discretos e finitos e dependem fortemente do tamanho da nanopartícula.[106].
Pessoal
Los ledes se fabrican en una gran variedad de formas y tamaños. El color de la lente de plástico suele coincidir con el de la luz emitida por el led, aunque no siempre es así. Por ejemplo, el plástico de color púrpura se emplea para los ledes infrarrojos y la mayoría de los ledes azules presentan encapsulamientos incoloros. Los ledes modernos de alta potencia como los empleados para iluminación directa o para retroiluminación aparecen normalmente en montajes de tecnología de superficie") (SMT).
Miniatura
LEDs em miniatura são frequentemente usados como indicadores. Na tecnologia passante e montagens de superfície, seu tamanho varia de 2 mm a 8 mm. Eles normalmente não possuem dissipador de calor independente.[116] A corrente máxima está entre 1 mA e 20 mA. Seu pequeno tamanho constitui uma limitação em termos de potência consumida devido à sua alta densidade de potência e à ausência de dissipador de calor. Eles geralmente são conectados em cadeia para formar faixas de luz LED.
Os formatos de tampa de plástico mais típicos são redondos, planos, triangulares e quadrados com topo plano. O encapsulamento também pode ser transparente ou colorido para melhorar o contraste e os ângulos de visão.[117].
Pesquisadores da Universidade de Washington inventaram o LED mais fino. É feito de materiais bidimensionais (2-D). Sua largura é de 3 átomos, ou seja, entre 10 e 20 vezes mais fina que os LEDs tridimensionais (3-D) e 10.000 vezes mais fina que um fio de cabelo humano. Esses LEDs 2-D permitirão comunicações ópticas e nano lasers menores e mais eficientes em termos energéticos.[118].
Existem três categorias principais de LEDs em miniatura de cor única:
Preparado para uma corrente de 2 mA com cerca de 2 V (consumo de mais ou menos 4 mW).
Para uma corrente de 20 mA e com 2 ou 4-5 V, projetado para ser visto sob luz solar direta. Os LEDs de 5V e 12V são LEDs miniatura normais que incorporam um resistor em série para conexão direta a uma fonte de 5 ou 12V.
Alta potência
Veja também: Iluminação de estado sólido, Lâmpada LED, LEDs de alta potência ou HP-LED").
LEDs de alta potência (HP-LEDs) ou HO-LEDs de alta emissão (LEDs de alta saída) podem ser controlados com correntes de centenas de mA a mais de 1 ampere, enquanto outros LEDs atingem apenas dezenas de miliamperes. Alguns podem emitir mais de mil lúmens.[119][120].
Densidades de potência de até 300 W/(cm²) também foram alcançadas.[121] Como o superaquecimento dos LEDs pode destruí-los, eles devem ser montados em um dissipador de calor. Se o calor de um HP-LED não fosse transferido para o meio, o dispositivo falharia em poucos segundos. Um HP-LED pode substituir uma lâmpada incandescente em uma lanterna ou várias delas podem ser combinadas para constituir uma lâmpada LED de potência. Alguns HP-LEDs bem conhecidos nesta categoria são os da série Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon e Cree X-Lamp. Desde setembro de 2009, existem LEDs fabricados pela Cree que excedem 105 lm/W.[122].
Exemplos da lei de Haitz, que prevê um aumento exponencial ao longo do tempo na saída de luz e na eficiência de um LED, são a série CREE XP-GE que atingiu 105 lm/W em 2009[122] e a série Nichia 19 com uma eficiência média de 140 lm/W que foi lançada em 2010.[123].
Alimentado por corrente alternada
A Seoul Semiconductor desenvolveu LEDs que podem funcionar em corrente alternada sem a necessidade de um conversor DC. Em um meio ciclo, uma parte do LED emite luz e a outra parte fica escura, e isso acontece ao contrário durante o meio ciclo seguinte. A eficiência normal deste tipo de HP-LED é de 40 lm/W.[124] Um grande número de elementos LED em série pode operar diretamente com a tensão da rede. Em 2009, a Seoul Semiconductor lançou um LED de alta tensão, denominado 'Acrich MJT', capaz de ser acionado por CA através de um circuito de controle simples. A baixa potência dissipada por esses LEDs proporciona maior flexibilidade do que outros designs originais de LED AC.[125].
Aplicações. Variantes
Os LEDs piscantes são utilizados como indicadores de atenção sem a necessidade de qualquer tipo de eletrônica externa. Os LEDs piscantes parecem LEDs padrão, mas contêm um circuito multivibrador integrado que faz com que os LEDs pisquem com um período característico de um segundo. Nos LEDs equipados com lente de difusão, este circuito é visível (um pequeno ponto preto). A maioria dos LEDs piscantes emitem luz em uma única cor, mas dispositivos mais sofisticados podem piscar em várias cores e até mesmo desbotar em uma sequência de cores a partir da mistura de cores RGB.
Os LEDs bicolores contêm dois LEDs diferentes em um único conjunto. Existem dois tipos; O primeiro consiste em duas matrizes conectadas a dois condutores paralelos entre si com a corrente circulando em direções opostas. Com o fluxo de corrente em uma direção, uma cor é emitida e com a corrente na direção oposta, a outra cor é emitida. No segundo tipo, entretanto, as duas matrizes possuem terminais separados e há um terminal para cada cátodo ou cada ânodo, de modo que podem ser controlados de forma independente. A combinação de cores mais comum é o tradicional vermelho/verde, no entanto, existem outras combinações disponíveis, como o tradicional verde/âmbar, vermelho/verde puro, vermelho/azul ou azul/verde puro.
Os LEDs tricolores contêm três LEDs emissores diferentes em um único quadro. Cada emissor está conectado a um terminal separado para que possa ser controlado independentemente dos demais. Um arranjo muito característico é aquele em que aparecem quatro terminais, um terminal comum (os três ânodos ou os três cátodos unidos) mais um terminal adicional para cada cor.
Os LEDs RGB são LEDs tricolores com emissores vermelhos, verdes e azuis, geralmente usando uma conexão de quatro fios e um terminal comum (ânodo ou cátodo). Este tipo de LEDs pode ter tanto o terminal positivo quanto o terminal negativo como comuns. Outros modelos, porém, possuem apenas dois terminais (positivo e negativo) e uma pequena unidade de controle eletrônico embutida.
Este tipo de LED possui emissores de diversas cores e está equipado com apenas dois terminais de saída. As cores são trocadas internamente variando a tensão de alimentação.
Os LEDs alfanuméricos estão disponíveis como displays de sete segmentos, displays de quatorze segmentos ou displays de matriz de pontos. Os displays de sete segmentos podem representar todos os números e um conjunto limitado de letras, enquanto os displays de quatorze segmentos podem exibir todas as letras. Os displays de matriz de pontos normalmente usam 5x7 pixels por caractere. O uso de LEDs de sete segmentos tornou-se difundido nas décadas de 1970 e 1980, mas o uso crescente de telas de cristal líquido reduziu a popularidade dos LEDs numéricos e alfanuméricos devido aos seus menores requisitos de energia e maior flexibilidade de exibição.
Eles são LEDs RGB que contêm seus próprios componentes eletrônicos de controle “inteligentes”. Além de alimentação e aterramento, eles possuem conexões para entrada e saída de dados e, às vezes, para sinais de relógio ou estroboscópios. Eles são conectados em cadeia, com a entrada de dados no primeiro LED equipado com um microprocessador que pode controlar o brilho e a cor de cada um deles, independentemente dos demais. Eles são usados onde é necessária uma combinação que proporcione o máximo controle e uma visão mínima da eletrônica, como em cadeias de luz de Natal ou matrizes de LED. Alguns até apresentam taxas de atualização na faixa de kHz, tornando-os adequados para aplicações básicas de vídeo.
Considerações de uso
Fontes de alimentação
Artigo principal: Circuito com LED.
A curva característica corrente-tensão de um LED é semelhante à de outros diodos, nos quais a intensidade da corrente (ou brevemente, corrente) cresce exponencialmente com a tensão "Tensão (eletricidade)") (ver equação de Shockley). Isso significa que uma pequena mudança na tensão pode causar uma grande mudança na corrente. Se a tensão aplicada exceder a queda de tensão limite de polarização direta do LED, em uma pequena quantidade, o limite de corrente que o diodo pode suportar pode ser muito excedido, potencialmente danificando ou destruindo o LED. A solução que pode ser adotada para evitar isso é utilizar fontes de energia de intensidade de corrente constante (brevemente, fonte de corrente constante[130]) capazes de manter a corrente abaixo do valor máximo da corrente que o LED pode passar ou, pelo menos, se for utilizada uma fonte convencional de tensão constante "Tensão (eletricidade)") ou bateria, adicionar um resistor limitador em série com o LED ao circuito de iluminação do LED. Como as fontes de energia normais (baterias, rede elétrica) são normalmente fontes de tensão constante, a maioria das luminárias LED deve incluir um conversor de energia ou pelo menos um resistor limitador de corrente. No entanto, a alta resistência das células-botão de três volts combinada com a alta resistência diferencial dos LEDs derivados de nitreto torna possível alimentar tais LEDs com uma célula-botão sem a necessidade de incorporar um resistor externo.
polaridade elétrica
Artigo principal: Polaridade elétrica dos LEDs.
Tal como acontece com todos os diodos, a corrente flui facilmente do material tipo p para o material tipo n. Contudo, se uma pequena tensão for aplicada na direção inversa, a corrente não flui e nenhuma luz é emitida. Se a tensão reversa aumentar o suficiente para exceder a tensão de ruptura, uma corrente alta fluirá e o LED poderá ser danificado. Se a corrente reversa for limitada o suficiente para evitar danos, o LED de acionamento reverso pode ser usado como um diodo de avalanche.
Saúde e segurança
A grande maioria dos dispositivos que contêm LEDs são “seguros em uso normal” e, portanto, são classificados como “Produto de Risco 1 RG1 (baixo risco)” / “LED Classe 1”. Atualmente, apenas alguns LEDs – LEDs extremamente brilhantes que têm um ângulo de visão muito pequeno com uma abertura de 8° ou menos – poderiam, em teoria, causar cegueira temporária e são, portanto, classificados como “Risco 2 RG2 (risco moderado)”. Seu uso também está sendo estudado para o tratamento de dores, insônia e outros distúrbios e doenças, entre outras, o Alzheimer.[133].
O parecer da Agência Francesa de Saúde e Segurança Alimentar, Ambiental e Ocupacional (ANSES), ao abordar questões de saúde relacionadas aos LEDs em 2010, sugeriu proibir o uso público de lâmpadas que estivessem no Grupo 2 ou Risco Moderado, especialmente aquelas com alto componente azul, em locais frequentados por crianças.[134].
Em geral, os regulamentos de segurança para o uso de luz laser[135][136]—e dispositivos de Risco 1, Risco 2, etc.— também são aplicáveis aos LEDs.[137].
Assim como os LEDs têm a vantagem, em relação às lâmpadas fluorescentes, de não conterem mercúrio (elemento “Mercúrio”), eles podem conter outros metais perigosos, como chumbo e arsênico. Em relação à toxicidade dos LEDs quando tratados como resíduos, um estudo publicado em 2011 afirmou: “De acordo com as regulamentações federais, os LEDs não são perigosos, exceto os LEDs vermelhos de baixa intensidade, porque inicialmente continham Pb (chumbo) em concentrações acima dos limites regulatórios (186 mg/L; limite regulatório: 5). 8.103 mg/kg, limite: 1.000), níquel (até 4.797 mg/kg, limite: 2.000) ou prata (até 721 mg/kg, limite: 500) fazem com que todos os LEDs, exceto os amarelos de baixa intensidade, sejam perigosos."[138]
Aplicações
Indicadores e lâmpadas de sinalização
O baixo consumo de energia, a baixa necessidade de manutenção e o pequeno tamanho dos LEDs levaram à sua utilização como indicadores de status e exibição em uma ampla variedade de equipamentos e instalações. Telas de LED de grandes áreas são usadas para transmitir jogos em estádios, como telas decorativas dinâmicas e como sinalização de mensagens dinâmicas em rodovias. Displays de mensagens leves e finos são usados em aeroportos e estações ferroviárias e como painéis de informações de destino em trens, ônibus, bondes e balsas.
As luzes de cor única são adequadas para semáforos, sinais de trânsito, sinais de saída de "Saída de Emergência (Segurança)", iluminação de emergência de veículos, luzes de navegação, faróis (os índices padrão de cromaticidade e luminância foram estabelecidos na Convenção Internacional para a Prevenção de Colisões no Mar 1972 Anexo 1 e pela Comissão Internacional de Iluminação ou CIE) e luzes de Natal compostas por LEDs. Em regiões com climas frios, os semáforos LED podem permanecer cobertos de neve.[164] Os LED vermelhos ou amarelos são utilizados em indicadores e displays alfanuméricos, em ambientes onde a visão noturna deve ser mantida: cockpits de aviões, pontes subaquáticas e de navios, observatórios astronômicos e em campo, por exemplo, para observação de animais à noite e aplicações militares em campo.
Dada a sua longa vida útil, tempos de comutação rápidos e capacidade de serem vistos em plena luz do dia devido à sua alta intensidade e concentração, os LEDs têm sido usados há algum tempo para luzes de freio em carros, caminhões e ônibus, e em sinais de mudança de direção; Muitos veículos atualmente usam LEDs em seus conjuntos de luzes traseiras. A utilização em freios melhora a segurança pela grande redução do tempo necessário para uma ignição completa, ou seja, pelo fato de ter um tempo de subida menor, até 0,5 segundo mais rápido que uma lâmpada incandescente. Isso proporciona mais tempo de reação para os motoristas atrás. Em um circuito de duas intensidades (luzes de presença traseiras e luzes de freio), se os LEDs não forem acionados em uma frequência rápida o suficiente, eles podem criar uma matriz fantasma, onde imagens fantasmas de LED aparecerão se os olhos se moverem rapidamente através da matriz de luz. Faróis com LEDs brancos começam a ser usados. O uso de LEDs tem vantagens estilísticas porque podem formar feixes de luz muito mais finos do que lâmpadas incandescentes equipadas com refletores parabólicos.
Os LEDs de baixa potência são relativamente muito econômicos e permitem seu uso em objetos luminosos de curta duração, como autoadesivos luminosos, objetos descartáveis e o tecido fotônico Lumalive. Os artistas também usam LEDs para a chamada arte LED. Os receptores de rádio meteorológicos e de socorro com mensagens de área codificada (SAME) possuem três LEDs: vermelho para alarmes, laranja para atenção e amarelo para avisos, indicações e relatórios.
Raio
Para incentivar a mudança para lâmpadas LED, o Departamento de Energia dos Estados Unidos criou o Prêmio L. A lâmpada LED da Philips Lighting North America ganhou o primeiro prêmio em 3 de agosto de 2011, após completar com sucesso 18 meses de testes intensivos de campo, laboratório e produtos.[165].
Os LEDs são usados como iluminação pública e em iluminação arquitetônica. Robustez mecânica e longa vida útil são utilizadas na iluminação automotiva de carros, motocicletas e faróis de bicicletas. A emissão de luz LED pode ser controlada de forma eficaz usando princípios ópticos sem imagem.
Em 2007, a cidade italiana de Torraca foi o primeiro lugar a converter todo o seu sistema de iluminação para LEDs. Os LEDs também são usados na aviação, a Airbus usa iluminação LED em seu Airbus A320 desde 2007 e a Boeing usa iluminação LED no 787. Os LEDs agora também são usados na iluminação de aeroportos e heliportos. Atualmente, as luminárias LED para aeroportos incluem luzes de pista de média intensidade, luzes centrais de pista, luzes centrais de pistas de táxi e luzes de borda.
Os LEDs também são usados como fonte de luz para projetores DLP e para iluminar televisores LCD (conhecidos como televisores LED) e telas de laptop. Os LEDs RGB aumentam a gama de cores em até 45%. Telas de TV e telas de computador podem ser mais finas usando LEDs para iluminação de fundo. A falta de radiação infravermelha ou térmica torna os LEDs ideais para iluminação de palco com bancos de LEDs RGB que podem facilmente mudar de cor e diminuir o aquecimento da iluminação, bem como iluminação médica onde a radiação IR pode ser prejudicial. Na conservação de energia, há menos produção de calor quando se utilizam LEDs.
Eles também são pequenos, duráveis e requerem pouca energia, por isso são usados em dispositivos portáteis, como lanternas. Os estroboscópios de LED ou flashes de câmera "Flash (fotografia)" operam em uma tensão baixa e segura, em vez dos mais de 250 volts comumente encontrados na iluminação baseada em flash de xenônio. Isto é especialmente útil em câmeras de telefones celulares. Os LEDs são usados para iluminação infravermelha em aplicações de visão noturna, incluindo câmeras de segurança. Um anel de LEDs ao redor de uma câmera de vídeo voltada para a frente em um fundo retrorrefletivo permite o chroma key em produções de vídeo.
Os LEDs são usados em operações de mineração, como lâmpadas para fornecer luz aos mineiros. Pesquisas foram conduzidas para melhorar os LEDs de mineração, reduzir o brilho e aumentar a iluminação, reduzindo o risco de ferimentos aos mineiros.[168].
Os LEDs são agora comumente usados em todas as áreas do mercado, do uso comercial ao doméstico: iluminação padrão, instalações teatrais, arquitetônicas, públicas e onde quer que seja usada luz artificial.
Os LEDs estão cada vez mais encontrando usos em aplicações médicas e educacionais, por exemplo, para melhorar o humor, e em novas tecnologias, como AmBX, explorando a versatilidade dos LEDs. A NASA até patrocinou pesquisas sobre o uso de LEDs para promover a saúde dos astronautas.[169].
Comunicações ópticas. Transferência de dados e outras comunicações
A luz pode ser usada para transmitir dados e sinais analógicos. Por exemplo, LEDs brancos podem ser usados em sistemas para ajudar as pessoas a se orientarem em espaços fechados, a fim de localizar arranjos ou objetos.[170].
Os "dispositivos de escuta assistida" em muitos teatros e espaços semelhantes usam conjuntos de LEDs infravermelhos para enviar som aos receptores dos espectadores. LEDs (e também lasers semicondutores) são usados para enviar dados através de muitos tipos de cabos de fibra óptica. Desde cabos TOSLINK para transmissão de áudio digital até links de fibra de altíssima largura de banda que formam a espinha dorsal da Internet. Durante algum tempo, os computadores foram equipados com interfaces IrDA, permitindo-lhes enviar e receber dados de equipamentos próximos usando radiação infravermelha.
Como os LEDs podem ligar e desligar milhões de vezes por segundo, eles exigem uma largura de banda muito alta para transmissão de dados.[171][172].
Iluminação sustentável
A eficiência da iluminação é necessária para uma arquitetura sustentável. Em 2009, testes realizados com lâmpadas LED pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos mostraram uma eficiência média de 35 lm/W, portanto abaixo da eficiência das lâmpadas fluorescentes compactas, até valores tão baixos quanto 9 lm/W, piores que as lâmpadas incandescentes. Uma lâmpada LED típica de 13 watts emitia de 450 a 650 lúmens,[173] o que era equivalente a uma lâmpada incandescente padrão de 40 watts.
Em qualquer caso, em 2011 existiam lâmpadas LED com uma eficiência de 150 lm/W, e mesmo os modelos de gama baixa ultrapassavam os 50 lm/W, pelo que um LED de 6 watts poderia alcançar os mesmos resultados que uma lâmpada incandescente padrão de 40 watts. Estes últimos têm uma durabilidade de 1.000 horas, enquanto um LED pode continuar operando com menor eficiência por mais de 50.000 horas.[174].
Tabela comparativa de lâmpada incandescente led-LFC:.
A redução do consumo de energia elétrica alcançada com a iluminação baseada em LED é importante quando comparada à iluminação incandescente. Além disso, esta redução também se manifesta como uma diminuição notável dos danos ao meio ambiente. Cada país apresenta um panorama energético diferente e, portanto, embora o impacto no consumo de energia seja o mesmo, a produção de gases nocivos ao ambiente pode oscilar um pouco de um país para outro. Em relação ao consumo, pode-se tomar como exemplo uma lâmpada incandescente convencional de 40 watts. Uma saída de luz equivalente pode ser obtida com um sistema LED de 6 watts. Ao utilizar o sistema LED em vez de lâmpadas incandescentes, o consumo de energia pode ser reduzido em mais de 85%. Quanto à poupança no impacto ambiental, é possível quantificá-la para qualquer país se for conhecida a produção de CO por cada kW por hora. No caso específico de Espanha, sabe-se que o mix energético da rede elétrica espanhola produziu cerca de 308 g de CO/kWh em 2016. Para o cálculo, assume-se que tanto a lâmpada como o conjunto LED funcionaram durante 10 horas por dia durante todo o ano de 2016.[175] As energias consumidas foram de 146 kW-hora pela lâmpada incandescente e 21,6 kW-hora por parte do conjunto LED. A energia elétrica consumida pode ser traduzida em kg de CO produzidos por ano. No primeiro caso, foi realizada a geração de cerca de 45 kg de CO, enquanto no segundo caso a produção de CO foi reduzida para 6,75 kg.
Fontes de luz para sistemas de visão artificial
Os sistemas de visão industrial geralmente requerem iluminação homogênea para poder focar nas características de interesse da imagem. Esta é uma das utilizações mais frequentes das luzes LED e certamente continuará a ser, fazendo baixar os preços dos sistemas baseados em sinalização luminosa. Os leitores de código de barras são o exemplo mais comum de sistemas de visão; muitos desses produtos de baixo custo usam LEDs em vez de lasers.[176] Os mouses ópticos de computador também usam LEDs em seu sistema de visão, pois fornecem uma fonte de luz uniforme sobre a superfície para a câmera em miniatura dentro do mouse. Na verdade, os LEDs são uma fonte de luz quase ideal para sistemas de visão pelos seguintes motivos:
• - O tamanho do campo iluminado é geralmente comparativamente pequeno e os sistemas de visão mecânica são muitas vezes bastante caros, portanto o custo da fonte de luz geralmente é menos preocupante. No entanto, pode não ser fácil substituir uma fonte de luz quebrada em máquinas complexas; Neste caso, a longa vida útil dos LEDs é uma vantagem.
• - Os componentes LED tendem a ser pequenos e podem ser colocados em alta densidade em substratos de superfície plana ou uniforme (PCB, etc.) para que possam ser projetadas fontes de luz homogêneas que direcionem a luz de direções estritamente controladas para as peças inspecionadas. Muitas vezes, isso pode ser alcançado com lentes e difusores pequenos e de baixo custo, ajudando a alcançar altas densidades de luz com controle sobre os níveis de iluminação e a homogeneidade. As fontes LED podem ser configuradas de várias maneiras (holofotes para iluminação reflexiva, luzes circulares para iluminação coaxial, retroiluminação para iluminação de contorno, montagens lineares, painéis planos de grande formato, fontes de cúpula para iluminação omnidirecional difusa).
• - Os LEDs podem ser facilmente estroboscópicos (na faixa de microssegundos e abaixo) e sincronizados com imagem. LEDs de alta potência estão disponíveis para permitir imagens bem iluminadas, mesmo com pulsos de luz muito curtos. Isso geralmente é usado para obter imagens nítidas de peças em movimento rápido.
• - Os LEDs vêm em diversas cores e comprimentos de onda, permitindo fácil utilização da melhor cor para cada necessidade, onde a cor diferente pode proporcionar melhor visibilidade das características de interesse. Ter um espectro conhecido com precisão permite que filtros próximos sejam usados para separar a largura de banda informativa ou para reduzir os efeitos perturbadores da luz ambiente. Os LEDs geralmente operam em temperaturas de trabalho comparativamente baixas, simplificando o gerenciamento e a dissipação de calor. Isso permite o uso de lentes, filtros e difusores de plástico. As unidades à prova d'água também podem ser facilmente projetadas, permitindo o uso em ambientes agressivos ou úmidos (indústrias de alimentos, bebidas, petróleo).
Medicina e biologia
A Healthcare repetiu as vantagens dos LEDs sobre outros tipos de iluminação e incorporou-as nos seus equipamentos de última geração. As vantagens oferecidas pelos LEDs em seu atual estado de desenvolvimento levaram à sua rápida difusão no mundo dos instrumentos de diagnóstico e apoio em procedimentos médicos e cirúrgicos. As vantagens apreciadas pelos profissionais médicos são as seguintes:.
• - O pequeno tamanho das fontes de luz que, em geral, podem ser associadas a guias de luz muito finos e flexíveis, o que permite sua movimentação dentro de cateteres finos.
• - A falta de radiação infravermelha que os acompanha, o que permite que o adjetivo luz fria seja associado a eles. O calor emitido por outros tipos de fontes de luz dificultava ou impossibilitava a sua utilização em determinadas observações diagnósticas ou intervenções cirúrgicas.
• - O tom branco que costuma ser o preferido para observações médicas. Deve ser uma cor branca natural capaz de apresentar todas as cores sem problemas de metamerismo. A cor natural dos tecidos assim iluminados favorece o correto diagnóstico do campo observado.
• - A elevada intensidade luminosa alcançada por estas fontes de luz.
Com base nas ideias anteriores, os endoscópios atuais são equipados com iluminação LED. A técnica endoscópica abrange muitas especialidades médicas, por exemplo gastroscopia, colonoscopia, laringoscopia, otoscopia ou artroscopia. Todas essas técnicas permitem a observação de órgãos e sistemas do corpo humano através do uso de câmeras de vídeo em miniatura. Também podem ser utilizados em intervenções cirúrgicas ou para fazer diagnósticos. O equipamento também é conhecido como videoscópios ou videoendoscópios. Existem rígidos ou flexíveis dependendo das necessidades. A fibra óptica adapta-se a cada caso particular. Por outro lado, a iluminação das salas cirúrgicas e clínicas odontológicas atualmente é de LED. Satisfazem perfeitamente todos os requisitos técnicos e sanitários para a sua utilização. Particularmente apreciada é a obtenção de uma iluminação brilhante, natural e branca (mais de cento e cinquenta mil candelas a um metro do campo de operação), sem sombras e sem emissões infravermelhas ou ultravioletas que possam afetar tanto o paciente como a equipe médica participante da intervenção.
O mesmo acontece com os faróis dos cirurgiões e dentistas equipados com LEDs, com lâmpadas para exames médicos, para exames e intervenções oftalmológicas ou para pequenas cirurgias, pelo que se pode dizer que os LED passaram a abranger todas as especialidades médicas. As empresas ópticas dedicadas à medicina incorporaram LEDs nos seus equipamentos de observação, por exemplo em microscópios, obtendo assim muitas vantagens para o estudo de imagens através de diferentes técnicas (campo claro, contraste, fluorescência), o que é evidente na área publicitária e comercial. Os LEDs são usados com sucesso como sensores em monitores de frequência cardíaca ou monitores de pressão arterial de oxigênio para medir a saturação de oxigênio.
Indústria
A indústria adaptou os modelos de observação utilizados na medicina às suas próprias necessidades e os equipamentos são chamados de "endoscópios industriais" ou também boroscópios), flexoscópios) ou videoendoscópios). Com eles você poderá observar o interior de máquinas, motores, dutos, cavidades ou armas sem precisar desmontá-los.
Outras aplicações
A luz dos LEDs pode ser modulada muito rapidamente, por isso são amplamente utilizados em fibra óptica e comunicação óptica em espaço livre. Isto inclui controles remotos usados em televisores LED, videocassetes e computadores. Os isoladores ópticos usam um LED combinado com um fotodiodo ou fototransistor para fornecer um caminho de sinal eletricamente isolado entre dois circuitos. Isto é especialmente útil em equipamentos médicos onde os sinais de um circuito sensor de baixa tensão (normalmente alimentado por bateria) em contato com um organismo vivo devem ser isolados eletricamente de qualquer possível falha elétrica em um dispositivo de monitoramento operando em tensões potencialmente perigosas. Um optoisolador também permite que informações sejam transferidas entre circuitos que não compartilham um potencial de terra comum.
Muitos sistemas de sensores dependem da luz como fonte de sinal. Os LEDs costumam ser ideais como fonte de luz devido aos requisitos do sensor. LEDs são usados como sensores de movimento"), por exemplo, em mouses ópticos de computador "Mouse (computação)"). A barra de sensores do Nintendo Wii usa LEDs infravermelhos. Os oxímetros de pulso os usam para medir a saturação de oxigênio. Alguns scanners de mesa usam matrizes de LED RGB em vez da típica lâmpada fluorescente de cátodo frio como fonte de luz. Ter controle independente de três cores iluminadas permite que o scanner seja calibrado para um equilíbrio de cores mais preciso e não há necessidade de aquecimento. Além disso, seus sensores só precisam ser monocromático, uma vez que a qualquer momento a página digitalizada é iluminada apenas com uma cor de luz. Como os LEDs também podem ser usados como fotodiodos, eles também podem ser usados para emissão ou detecção de fotos. Isso poderia ser usado, por exemplo, em uma tela sensível ao toque que registra a luz refletida de um dedo ou de uma caneta na fotossíntese em plantas,[178] e bactérias e vírus podem ser eliminados da água e outras substâncias usando LEDs UV para esterilização.
Os LEDs também têm sido usados como referência de tensão de qualidade em circuitos eletrônicos. Em vez de um diodo Zener em reguladores de baixa tensão, pode-se usar queda de tensão direta (por exemplo, cerca de 1,7 V para um LED vermelho normal). Os LEDs vermelhos têm a curva I/V mais plana. Embora a tensão direta do LED seja muito mais dependente da corrente do que um diodo Zener, os diodos Zener com tensões de ruptura abaixo de 3 V não estão amplamente disponíveis.
A miniaturização progressiva da tecnologia de iluminação de baixa tensão, como LEDs e OLEDs, adequados para incorporação em materiais finos, tem incentivado a experimentação na combinação de fontes de luz e superfícies de revestimento de paredes interiores.[179] As novas possibilidades oferecidas por esses desenvolvimentos levaram alguns designers e empresas, como Meystyle"),[180] Ingo Maurer,[181] Lomox,[182] e Philips[183] a pesquisar e desenvolver papéis de parede de LED proprietários. tecnologias, algumas das quais estão atualmente disponíveis para compra comercial. Outras soluções existem principalmente como protótipos ou estão em processo de aperfeiçoamento.
• - Wikimedia Commons hospeda uma categoria multimídia em led.
• - Wikimedia Commons hospeda uma categoria multimídia em led (SMD) "commons:Categoria:Diodos emissores de luz (SMD)").
• - O Wikcionário contém definições e outras informações sobre LED.
• - no YouTube.
Referências
[1] ↑ Hasta 2001, el término se escribía en español como una sigla: con mayúsculas y sin plural (un LED, dos LED). Fue aceptado como sustantivo común por la Asociación de Academias de la Lengua Española en el Diccionario de la lengua española. Su plural es «ledes» (así como el plural de «red» es «redes»).
[2] ↑ MyLedpassion.com. «Biografía del capitán Henry Joseph Round por su contribución a la radio y a la invención de los ledes con 117 patentes» (en inglés). Consultado el 28 de julio de 2017.: http://www.myledpassion.com/History/hj-round.htm
[4] ↑ US Patent 3293513, "Semiconductor Radiant Diode", James R. Biard and Gary Pittman, Filed on Aug. 8th, 1962, Issued on Dec. 20th, 1966.: http://www.freepatentsonline.com/3293513.pdf
[7] ↑ Real Academia Española. «Led». Diccionario de la lengua española (23.ª edición).: https://dle.rae.es/led
[8] ↑ «LED». The American Heritage Science Dictionary (Houghton Mifflin Company). 2005. led y LED. Definiciones de LED en inglés. Consultado el 5 de mayo de 2017.: http://dictionary.reference.com/browse/led
[9] ↑ Moreno, I.; Sun, C. C. (2008). «Modeling the radiation pattern of LEDs». Optics Express 16 (3): 1808-1819. ISSN 1094-4087. PMID 18542260. doi:10.1364/OE.16.001808. Modelado del patrón de radiación de los LEDS. Consultado el 5 de mayo de 2017.: https://es.wikipedia.org//portal.issn.org/resource/issn/1094-4087
[19] ↑ Kroemer, Herbert (16 de septiembre de 2013). «"The Double-Heterostructure Concept: How It Got Started"». Proceedings of the IEEE. 101 (10): pp. 2184, 2183-2187. doi:10.1109/JPROC.2013.2274914.: https://dx.doi.org/10.1109%2FJPROC.2013.2274914
[24] ↑ W.N., Carr, Pittman, G.E. (noviembre de 1963). «One-watt GaAs p-n junction infrared source». Applied Physics Letters: 3 (10): 173-175. doi:10.1063/1.1753837. Consultado el 19 de octubre de 2016.: http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1753837
[25] ↑ Holonyak Nick; Bevacqua, S. F (diciembre de 1962). «“Coherent (visible) light emission from Ga (As1−xP x) JUNCTIONS”». Appl. Phys. Lett. 1, 82. doi:10.1063/1.1753706.: http://adsabs.harvard.edu/abs/1962ApPhL...1...82H
[26] ↑ Perry, T. S. (1995). «"M. George Craford [biography]"». IEEE Spectrum. 32 (2): p 52-55. doi:10.1109/6.343989.: https://dx.doi.org/10.1109%2F6.343989
[27] ↑ T. P. Pearsall; R. J. Capik; B. I. Miller; K. J. Bachmann (1976). «“Efficient lattice-matched double-heterostructure LEDs at 1.1 μm from GaxIn1−xAsyP1−y”». Appl. Phys. Lett. 28 (9). p. 499. doi:10.1063/1.88831.: http://citeweb.info/19760014595
[28] ↑ Rostky, George (16 de marzo de 1997). «LEDs cast Monsanto in Unfamiliar Role». Electronic Engineering Times (EETimes) (944). Este artículo trata trata sobre las negociaciones de las empresas HP y Monsanto en la fabricación de pantallas LED y diodos. Consultado el 14 diciembre de 2016.: http://www.datamath.org/Display/Monsanto.htm
[29] ↑ a b Schubert, E. Fred. (2003). «cap.1». Light-Emitting Diodes ["Diodos Emisores de Luz: Investigación, Fabricación y Aplicaciones V"]. Cambridge University Press. ISBN 0-8194-3956-8. |fechaacceso= requiere |url= (ayuda).
[33] ↑ Park, S. -I.; Xiong, Y.; Kim, R. -H.; Elvikis, P.; Meitl, M.; Kim, D. -H.; Wu, J.; Yoon, J.; Yu, C. -J.; Liu, Z.; Huang, Y.; Hwang, K. -C.; Ferreira, P.; Li, X.; Choquette, K.; Rogers, J. A. (2009). "Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays". Science. 325 (5943): 977-981. doi: 10.1126/science.1175690. PMID 19696346. Artículo de la revista Science sobre los distintos montajes de diodos emisores de luz inorgánicos para pantallas deformables y semitransparentes. Consultado el 14 de diciembre de 2016.: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_object_identifier
[35] ↑ Maruska; Rhines, Walden Clark (14 de mayo de 2015). «A modern perspective on the history of semiconductor nitride blue light sources». Solid-State Electronics 111 (septiembre 2015): 32-41. doi:10.1016/j.sse.2015.04.010.: https://dx.doi.org/10.1016/j.sse.2015.04.010
[41] ↑ Press Release, Página web oficial de los Premios Nobel. Asaki, Amano y Nakamura obtuvieron el Premio Nobel de Física el 7 de octubre de 2014 por su contribución al Led Azul y a la tecnología de los ledes de alta potencia.: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/press.html
[50] ↑ Mueller, Gerd (2000) Electroluminescence I, Academic Press, ISBN 0-12-752173-9, p. 67, "escape cone of light" from semiconductor, illustrations of light cones on p. 69.: https://books.google.com/books?id=2plxAU3tPj4C&lpg=PA67
[52] ↑ Capper, Peter; Mauk, Michael (2007). Liquid phase epitaxy of electronic, optical, and optoelectronic materials. Wiley. p. 389. ISBN 0-470-85290-9. «faceted structures are of interest for solar cells, LEDs, thermophotovoltaic devices, and detectors in that nonplanar surfaces and facets can enhance optical coupling and light-trapping effects, [with example microphotograph of a faceted crystal substrate].».: https://books.google.com/books?id=IfLGPRJDfqgC&lpg=PA389
[53] ↑ Dakin, John y Brown, Robert G. W. (eds.) Handbook of optoelectronics, Volume 2, Taylor & Francis, 2006 ISBN 0-7503-0646-7 p. 356, "Die shaping is a step towards the ideal solution, that of a point light source at the center of a spherical semiconductor die.".: https://books.google.com/books?id=3GmcgL7Z-6YC&lpg=PA356
[64] ↑ Efremov,A.A.; Bochkareva,N.I.; Gorbunov,R.I.; Lavrinovich,D.A.; Rebane,Y.T.; Tarkhin,D.V.; Shreter,Y.G. "Effect of the joule heating on the quantum efficiency and choice of thermal conditions for high-power blue InGaN/GaN LEDs", SpringerLink, mayo de 2006, Semiconductores volumen 40, publicación 5, pags 605-610, doi:10.1134/S1063782606050162.: https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1063782606050162
[68] ↑ Narendran, N.; Gu, Y. "Life of LED-based white light sources" 22 de agosto de 2005, IEEE Xplore, Journal of Display Technology, volumen 1, publicación 1, pag.167. BibCode:2005JDisT...1..167N,doi:10.1109/JDT.2005.852510.: http://adsabs.harvard.edu/abs/2005JDisT...1..167N
[69] ↑ a b Conway,K.M.; Bullough,J.D. Will LEDs transform traffic signals as they did exit signs? Conferencia anual del IESNA, 11 de agosto de 1999, Consultado en mayo de 2017.: http://www.lrc.rpi.edu/resources/pdf/57-1999.pdf
[82] ↑ Klipstein, Don. LED types by Color, Brightness, and Chemistry. Donklipstein.com. Consultado el 18 de junio de 2011. Consultado el 22 de mayo de 2017.: http://donklipstein.com/ledc.html
[85] ↑ Schubert, E. Fred Light-emitting diodes 2nd ed., Cambridge University Press, 2006 ISBN 0-521-86538-7 pp. 16-17.
[86] ↑ Stevenson, D; Rhines, W; Maruska, H; Stevenson, D; Maruska, H; Rhines, W (12 de marzo de 1973). Gallium nitride metal-semiconductor junction light emitting diode. Consultado el 20 de febrero de 2018.: https://patents.google.com/patent/US3819974
[91] ↑ Iwasa, Naruhito; Mukai, Takashi and Nakamura, Shuji Patente USPTO n.º 5578839 "Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device" Issue date: 26 de noviembre de 1996.: http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?patentnumber=5578839
[92] ↑ Stoddard, Tim (13 de diciembre de 2002). «Green light on blue light: Blue light technology remains BU’s intellectual property». B.U. Bridge, Week of 13 December 2002 · Vol. VI, No. 15. Consultado el 1 de marzo de 2017.: https://www.bu.edu/bridge/archive/2002/12-13/bluelight.htm
[93] ↑ Desruisseaux, Paul 2006 Millennium technology prize awarded to UCSB's Shuji Nakamura. Ia.ucsb.edu (15 de junio de 2006). Consultado el 22 de mayo de 2017.: http://www.ia.ucsb.edu/pa/display.aspx?pkey=1475
[100] ↑ Mori, M.; Hamamoto, A.; Takahashi, A.; Nakano, M.; Wakikawa, N.; Tachibana, S.; Ikehara, T.; Nakaya, Y.; Akutagawa, M.; Kinouchi, Y. (2007). «Development of a new water sterilization device with a 365 nm UV-LED». Medical & Biological Engineering & Computing 45 (12): 1237-1241. PMID 17978842. doi:10.1007/s11517-007-0263-1.: https://es.wikipedia.org//www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17978842
[103] ↑ zyvex.com/nanotech. «Richard P. Feynman, 'Hay mucho espacio en el fondo: una invitación para entrar en un nuevo campo de la física'» (en inglés). Consultado el 25 de julio de 2017.: http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
[105] ↑ L. Esaki, R. Tsu (1970). «Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors». IBM J. Res. Devel. 14: 61.: http://ieeexplore.ieee.org/document/5391729/
[106] ↑ Arakawa, Y.; H. Sakaki (1982). «Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current». =Appl. Phys. Lett. 40: 939.: http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.92959
[107] ↑ a b Valledor-Llopis, J. C., Campo-Rodríguez, F. J., Ferrero-Martín, A. M., Coto-García, M. T., Fernández-Argüelles, J. M., Costa-Fernández, A. Sanz-Medel (2011). «Dynamic analysis of the photoenhancement process of colloidal quantum dots with different surface modifications». =Nanotechnology 22: 385703.: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/22/38/385703/meta
[108] ↑ Con esta tecnología se inician, a partir del año 2002, aplicaciones para fabricar las pantallas de los dispositivos electrónicos (con LED de QD) Instituto Tecnológico de Massachusetts, 18 de diciembre de 2002.: http://web.mit.edu/newsoffice/2002/dot.html
[109] ↑ Neidhardt, H.; Wilhelm, L.; Zagrebnov, V. A. (febrero de 2015). «A New Model for Quantum Dot Light Emitting-Absorbing Bevices: Proofs and Supplements». Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics 6 (1): 6-45. doi:10.17586/2220-8054-2015-6-1-6-45. Consultado el 15 de mayo de 2017.: http://nanojournal.ifmo.ru/en/articles-2/volume6/6-1/invited-speakers/paper01/
[110] ↑ Colvin, V. L.; Schlamp, M. C.; Alivisatos, A. P. (1994). "Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer". Nature. http://www.nature.com/nature/journal/v370/n6488/abs/370354a0.html
[111] ↑ "Accidental Invention Points to End of Light Bulbs". LiveScience.com. 21 de octubre de 2005.
[112] ↑ Nanoco Signs Agreement with Major Japanese Electronics Company Archivado el 24 de junio de 2018 en Wayback Machine., 23 de septiembre de 2009.: http://www.nanowerk.com/news/newsid=12743.php
[114] ↑ Nanotechnologie Aktuell, pp. 98-99, v. 4, 2011, ISSN 1866-4997.
[115] ↑ Hoshino, K.; Gopal, A.; Glaz, M. S.; Vanden Bout, (2012). "Imagen de fluorescencia a nanoescala con electroluminiscencia de campo cercano de puntos cuánticos". http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4739235.: http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4739235
[125] ↑ http://www.ledsmagazine.com/articles/2006/11/seoul-semiconductor-launches-ac-led-lighting-source-acriche.html LEDS Magazine. 17 de noviembre de 2006. Recuperado el 17 de febrero de 2008. 128. https://web.archive.org/web/20130116003035/http://darksky.org/assets/documents/Reports/IDA-Blue-Rich-Light-White-Paper.pdf (PDF). International Dark-Sky Association. 4 de mayo del 2010. Tomado del original (PDF) el 16 de enero de 2013.: http://www.ledsmagazine.com/articles/2006/11/seoul-semiconductor-launches-ac-led-lighting-source-acriche.html
[126] ↑ https://web.archive.org/web/20130116003035/http://darksky.org/assets/documents/Reports/IDA-Blue-Rich-Light-White-Paper.pdf (PDF). International Dark-Sky Association. 4 de mayo del 2010. Tomado del original (PDF) el 16 de enero de 2013.
[130] ↑ Elektrotechnik Gesamtband Technische Mathematik Kommunikationselektronik (en alemán) (1ª edición). Westermann. 1997. p. 171. ISBN 3142212515. "Toda la banda eléctrica. Matemáticas técnicas. Electrónica de comunicaciones". Consultado el 14 de diciembre de 2016.
[131] ↑ «Fuentes de corriente constante». Escuela de Ingeniería de Éibar, Universidad del País Vasco (España). Escuela de Ingeniería de Éibar, Universidad del País Vasco (España). . Revisado el 25 de julio de 2017.: http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema1/TEMA1.htm
[132] ↑ Schubert, E. Fred (2005). «Chapter 4». Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press. ISBN 0-8194-3956-8. Libro "Diodos Emisores de Luz: Investigación, Fabricación y Aplicaciones V". Consultado el 14 de diciembre de 2016.
[134] ↑ «Los pioneros del LED azul deslumbran al Comité del Nobel». www.wipo.int. Consultado el 7 de noviembre de 2024. - [https://www.wipo.int/wipo_magazine/es/2014/06/article_0001.html#:~:text=En%201986,%20Isamu%20Akasaki%20y,4855249).](https://www.wipo.int/wipo_magazine/es/2014/06/article_0001.html#:~:text=En%201986,%20Isamu%20Akasaki%20y,4855249).)
[135] ↑ Opinión de la Agencia Francesa de Seguridad Alimentaria, Medioambiental y Salud y Seguridad Ocupacional Este artículo nos muestra la opinión de la Agencia Francesa de Seguridad Alimentaria, Medioambiental y Salud y Seguridad Ocupacional (ANSES) de 2010, sobre las cuestiones sanitarias relacionadas con los LEDs. Consultado el 30 de julio de 2017.: https://www.anses.fr/en/content/led-%E2%80%93-light-emitting-diodes
[137] ↑ "Láseres: clases, riesgos y medidas de control" Universidad Politécnica de Valencia (2017). Consultado el 30 de julio de 2017.: http://www.sprl.upv.es/IOP_RF_01%28a%29.htm
[138] ↑ “Cabin lights take the heat off”: Este artículo nos habla sobre la investigación de la empresa Beadlight para hacer los LEDs más seguros. Consultado el 30 de julio de 2017.: http://www.controlengeurope.com/article.aspx?ArticleID=12395
[139] ↑ Lim, S. R.; Kang, D.; Ogunseitan, O. A.; Schoenung, J. M. (2011). «Potential Environmental Impacts of Light-Emitting Diodes (LEDs): Metallic Resources, Toxicity, and Hazardous Waste Classification». Environmental Science & Technology 45 (1): 320-327 2017. PMID 21138290. doi:10.1021/es101052q. . Consultado el 7 de mayo de 2017.: https://es.wikipedia.org//www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21138290
[143] ↑ Narra, Prathyusha; Zinger, D.S. (2004). «An effective LED dimming approach». Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2004 IEEE 3: 1671-1676. ISBN 0-7803-8486-5. doi:10.1109/IAS.2004.1348695. . Consultado el 4 de abril de 2017.: https://dx.doi.org/10.1109%2FIAS.2004.1348695
[148] ↑ Worthey, James A. Cómo trabaja la luz blanca LRO Lighting Research Symposium, Light and Color. Consultado el 4 de abril de 2017.: http://www.jimworthey.com/jimtalk2006feb.html
[149] ↑ Hecht, E. (2002). Optics (4 edición). Addison Wesley. p. 591. ISBN 0-19-510818-3.
[155] ↑ Luginbuhl, C. (2014). «The impact of light source spectral power distribution on sky glow». Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 139: 21-26. doi:10.1016/j.jqsrt.2013.12.004. . Consultado el 4 de abril de 2017.: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022407313004792
[156] ↑ Aubé, M.; Roby, J.; Kocifaj, M. (2013). «Evaluating Potential Spectral Impacts of Various Artificial Lights on Melatonin Suppression, Photosynthesis, and Star Visibility». PLOS ONE 8 (7): e67798. PMC 3702543. PMID 23861808. doi:10.1371/journal.pone.0067798. . Consultado el 4 de abril de 2017.: http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0067798
[160] ↑ Efremov, A. A.; Bochkareva, N. I.; Gorbunov, R. I.; Lavrinovich, D. A.; Rebane, Y. T.; Tarkhin, D. V.; Shreter, Y. G. (2006). "Effect of the joule heating on the quantum efficiency and choice of thermal conditions for high-power blue InGaN/GaN LEDs" (Efecto del Calentamiento Joule en la eficiencia cuántica y en la elección de las condiciones térmicas para los LEDs azules InGaN/GaN LED de alta potencia). Semiconductors. 40 (5): 605–610. doi 10.1134/S1063782606050162. Consultado el 4 de abril de 2017.: http://link.springer.com/article/10.1134%2FS1063782606050162
[162] ↑ Pawson, S. M.; Bader, M. K.-F. (2014). «LED Lighting Increases the Ecological Impact of Light Pollution Irrespective of Color Temperature». Ecological Applications 24 (7): 1561-1568. doi:10.1890/14-0468.1. Consultado el 4 de abril de 2017.: http://www.esajournals.org/doi/full/10.1890/14-0468.1
[169] ↑ «"CDC – NIOSH Publications and Products – Impact: NIOSH Light-Emitting Diode (LED) Cap Lamp Improves Illumination and Decreases Injury Risk for Underground Miners"». cdc.gov. (en inglés). Consultado el 29 de febrero de 2017.: https://www.cdc.gov/niosh/docs/2011-192/
[171] ↑ Fudin,M.S.; Mynbaev,K.D.; Aifantis,K.E.; Lipsanen,H.; Bougrov,V.E.; Romanov,A.E. Frequency characteristics of modern LED phosphor materials Artículo completo (Ruso)(PDF) Revista Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. noviembre-diciembre del 2014 Volumen 14, n.º 6. pag. 71. ISSN 2226-1494 (impreso), ISSN 2500-0373 (en línea). Consultado el 25 de abril de 2017.: http://ntv.ifmo.ru/en/article/11192/chastotnye_harakteristiki_sovremennyh_svetodiodnyh_lyuminofornyh_materialov.htm
[178] ↑ Dietz, P. H.; Yerazunis, W. S.; Leigh, D. L. (octubre de 2003). Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs. La referencia utiliza el parámetro obsoleto |mes= (ayuda).: http://www.merl.com/publications/TR2003-035/
[179] ↑ Goins, G. D.; Yorio, N. C.; Sanwo, M. M.; Brown, C. S. (1997). «Photomorphogenesis, photosynthesis, and seed yield of wheat plants grown under red light-emitting diodes (LEDs) with and without supplemental blue lighting». Journal of Experimental Botany 48 (7): 1407-1413. doi:10.1093/jxb/48.7.1407.: https://dx.doi.org/10.1093%2Fjxb%2F48.7.1407
[180] ↑ Schubert, E. Fred (2003). Light-emitting Diodes. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0521823307.
A princípio, buscou-se uma explicação atribuindo-o às altas temperaturas. No entanto, os cientistas conseguiram demonstrar o oposto, que embora a vida útil do LED possa ser encurtada, a queda na eficiência é menos severa em temperaturas elevadas.
Além de reduzir a eficiência, os LEDs que trabalham com correntes elétricas maiores geram mais calor, o que compromete a vida útil do LED. Devido a esse aumento de calor em altas correntes, os LEDs de alto brilho têm um valor padrão industrial de apenas 350 mA, corrente para a qual há um equilíbrio entre luminosidade, eficiência e durabilidade.[59][61][62][63].
Dada a necessidade de aumentar a luminosidade dos LEDs, isso não é conseguido aumentando os níveis de corrente, mas sim utilizando vários LEDs numa única lâmpada. Portanto, solucionar o problema de perda de eficiência das lâmpadas LED domésticas consiste em utilizar o menor número possível de LEDs em cada lâmpada, o que contribui para reduzir significativamente os custos.
Membros do Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos encontraram uma maneira de retardar a queda na eficiência. Eles descobriram que essa queda vem da recombinação Auger não radiativa produzida com os transportadores injetados. Para resolver isso, eles criaram poços quânticos com potencial de confinamento suave para reduzir processos Auger não radiativos.[64].
Pesquisadores da National Taiwan Central University e da Epistar Corp. estão desenvolvendo um método para reduzir a perda de eficiência usando substratos cerâmicos de nitreto de alumínio, que possuem uma condutividade térmica mais alta do que a safira usada comercialmente. Os efeitos de aquecimento são reduzidos devido à alta condutividade térmica dos novos substratos.[65]
Como a eficiência dos LEDs é maior em baixas temperaturas, essa tecnologia é ideal para iluminar freezers de supermercados.[69][70][71] Como os LEDs produzem menos calor residual do que as lâmpadas incandescentes,[68] seu uso em freezers também pode economizar custos de refrigeração. No entanto, podem ser mais susceptíveis ao gelo e à acumulação de gelo do que as lâmpadas incandescentes, razão pela qual alguns sistemas de iluminação LED foram equipados com um circuito de aquecimento. Além disso, foram desenvolvidas técnicas de dissipadores de calor para que possam transferir o calor produzido na junção para as partes do equipamento de iluminação que possam ser de interesse.[72].
Um dos desafios pendentes de resolução é o desenvolvimento de LEDs verdes mais eficientes. O máximo teórico para LEDs verdes é de 683 lúmens por watt, mas em 2010 apenas alguns LEDs verdes excederam 100 lúmens por watt. Os LEDs azuis e vermelhos, entretanto, estão se aproximando dos seus limites teóricos.
Os LED multicoloridos oferecem a possibilidade não só de produzir luz branca, mas também de gerar luzes de diferentes cores. As cores mais perceptíveis podem ser formadas pela mistura de diferentes proporções das três cores primárias. Isso permite um controle preciso e dinâmico de cores. À medida que mais esforços são dedicados à pesquisa, o método LED multicolorido se torna mais influente como método fundamental usado para produzir e controlar a cor da luz.
Embora este tipo de LED possa desempenhar um bom papel no mercado, alguns problemas técnicos devem primeiro ser resolvidos. Por exemplo, a potência de emissão destes LEDs diminui exponencialmente com o aumento da temperatura, produzindo uma alteração substancial na estabilidade da cor. Esses problemas podem impossibilitar seu emprego na indústria. Por esta razão, muitos novos projetos de encapsulamento foram feitos e seus resultados estão sendo estudados por pesquisadores. Obviamente, LEDs multicoloridos sem fósforos nunca podem fornecer uma boa iluminação porque cada um deles emite uma faixa de cor muito estreita. Assim como os LEDs sem fósforo são uma solução muito pobre para iluminação, eles oferecem a melhor solução para retroiluminação de LCD ou iluminação direta com displays de pixel LED.
Na tecnologia LED, a diminuição da temperatura de cor correlacionada (CCT) é uma realidade difícil de evitar porque, juntamente com a vida útil e os efeitos da variação da temperatura dos LEDs, a cor real final dos LEDs acaba sendo modificada. Para corrigir isso, sistemas com loops de feedback fornecidos, por exemplo, com sensores de cor são usados para monitorar, controlar e manter a cor resultante da sobreposição de LEDs de cor única.[101].
Os LEDs brancos também podem ser fabricados com LEDs quase ultravioleta (NUV) revestidos com uma mistura de fósforos de európio de alta eficiência que emitem vermelho e azul, além de sulfeto de zinco dopado com cobre-alumínio (ZnS:Cu, Al) que emite verde. Este procedimento é análogo ao funcionamento das lâmpadas fluorescentes. O procedimento é menos eficiente que o dos LEDs azuis com fósforo YAG:Ce, pois o deslocamento de Stokes é mais importante, portanto uma fração maior da energia é convertida em calor, embora ainda seja gerada uma luz com melhores características espectrais e, portanto, com melhor reprodução de cores.
Como os LEDs UV têm uma radiação de saída mais alta do que os LEDs azuis, ambos os métodos oferecem brilho semelhante. Uma desvantagem deste último é que um possível vazamento de luz UV de uma fonte de luz com defeito pode causar danos aos olhos ou à pele humana.
Eles geralmente são feitos de material semicondutor e podem conter de nenhum a vários milhares de elétrons. Os elétrons dentro do ponto quântico se repelem, a introdução de elétrons adicionais custa energia e obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, que proíbe dois elétrons de ocuparem o mesmo estado quântico simultaneamente. Conseqüentemente, os elétrons em um ponto quântico formam órbitas de maneira muito semelhante às dos átomos e, em alguns casos, são chamados de átomos artificiais. Eles também apresentam comportamentos eletrônicos e ópticos semelhantes aos dos átomos. A sua aplicação pode ser muito diversificada, para além da optoelectrónica e da óptica, na computação quântica, no armazenamento de informação para computadores tradicionais, na biologia e na medicina.
As propriedades ópticas e de confinamento quântico do ponto quântico permitem que sua cor de emissão seja ajustada do visível ao infravermelho.[107][108] Os LEDs de pontos quânticos podem produzir quase todas as cores no diagrama CIE. Além disso, eles oferecem mais opções de cores e melhor representação de cores do que os LEDs brancos discutidos nas seções anteriores, uma vez que o espectro de emissão é muito mais estreito, o que é característico de estados quânticos confinados.
Existem dois procedimentos para a excitação de QDs. Utiliza-se fotoexcitação com uma fonte de luz LED primária (LEDs azuis ou UV são comumente usados para isso). O outro procedimento utiliza excitação elétrica direta demonstrada pela primeira vez por Alivisatos et al.[109].
Um exemplo de procedimento de fotoexcitação é o desenvolvido por Michael Bowers, na Universidade Vanderbilt, em Nashville, criando um protótipo que consistia em cobrir um LED azul com pontos quânticos que emitiam luz branca em resposta à luz azul do LED. O LED modificado emitia uma luz branco-amarelada quente semelhante à das lâmpadas incandescentes.[110] Em 2009, a pesquisa começou com diodos emissores de luz usando QD em aplicações em televisores com tela de cristal líquido (LCD).[111][112].
Em fevereiro de 2011, cientistas da PlasmaChem GmbH foram capazes de sintetizar pontos quânticos para aplicações de LED, criando um conversor de luz que poderia efetivamente transformar a luz azul em luz de qualquer outra cor por centenas de horas. Esses pontos quânticos também podem ser usados para emitir luz visível ou infravermelha próxima, excitando-os com luz de comprimento de onda mais curto.
A estrutura dos LEDs de pontos quânticos (QD-LED) utilizados para a excitação elétrica do material possui um design básico semelhante ao dos OLEDs. Uma camada de pontos quânticos está localizada entre duas camadas de um material capaz de transportar elétrons e buracos. Ao aplicar um campo elétrico, elétrons e buracos se movem em direção à camada de pontos quânticos e se recombinam formando excitons; Cada exciton produz um par elétron-buraco, emitindo luz. Este esquema é normalmente considerado para exibições de pontos quânticos. A grande diferença dos OLEDs está no seu tamanho muito pequeno e, como consequência, geram os efeitos e propriedades ópticas do confinamento quântico.
Os QDs também são muito úteis como fontes de excitação para imagens de fluorescência devido à estreita faixa de comprimentos de onda emitidos pelo QD que se manifesta na estreita largura de banda do pico no espectro de emissão (propriedade devido ao confinamento quântico). Por esta razão, o uso de LEDs de pontos quânticos (QD-LED) tem se mostrado eficiente na técnica de microscopia óptica de campo próximo").[114].
No que diz respeito à eficiência energética, em Fevereiro de 2008 foi conseguida uma emissão de luz quente com uma eficiência luminosa de 300 lúmens de luz visível por watt de radiação (não por watt eléctrico) através da utilização de nanocristais.[115].
Um filamento de LED consiste em vários chips de LED conectados em série em um substrato longitudinal formando uma barra fina que lembra o filamento incandescente de uma lâmpada tradicional.[126] Os filamentos estão sendo usados como uma alternativa decorativa de baixo custo às lâmpadas tradicionais que estão sendo descontinuadas em muitos países. Os filamentos requerem uma tensão de alimentação bastante elevada para iluminar com brilho normal, podendo funcionar de forma eficiente e fácil nas tensões de rede. Um retificador simples e um limitador de corrente capacitivo são frequentemente usados como um substituto de baixo custo para a lâmpada incandescente tradicional, sem a inconveniência de ter que construir um conversor de baixa tensão e alta corrente, conforme exigido por diodos LED individuais. Eles são normalmente montados dentro de um invólucro hermético que tem um formato semelhante ao das lâmpadas que substituem (em forma de lâmpada, por exemplo) e preenchido com um gás inerte, como nitrogênio ou dióxido de carbono, para remover o calor de forma eficiente. Os principais tipos de LEDs são: dispositivos em miniatura, de alta potência e designs comuns, como alfanuméricos ou multicoloridos.[128].
A luz LED é usada em uma técnica de tratamento de pele chamada fototerapia. Lembremos que a luz emitida pelas diferentes ligas semicondutoras é muito monocromática. A cada uma das cores (azul, amarelo, vermelho, etc.) é atribuída atividade prioritária num determinado processo terapêutico, por exemplo, promover a cicatrização (luz azul), atacar uma determinada estirpe de bactérias (várias cores), clarear manchas dérmicas (luz vermelha), etc.
Muitos materiais e sistemas biológicos são sensíveis ou dependentes da luz. As luzes de cultivo usam LEDs para aumentar a fotossíntese nas plantas. Bactérias e vírus podem ser removidos da água e de outras substâncias através da esterilização UV LED.
• - OLED.
• - Tela de plasma.
• - AMOLED.
• - LED Cristal.
• - Diodo laser.
• - Tela laser.
• - Fotodiodo.
• - Rodada Henry Joseph.
• - Tubo LED.
A princípio, buscou-se uma explicação atribuindo-o às altas temperaturas. No entanto, os cientistas conseguiram demonstrar o oposto, que embora a vida útil do LED possa ser encurtada, a queda na eficiência é menos severa em temperaturas elevadas.
Além de reduzir a eficiência, os LEDs que trabalham com correntes elétricas maiores geram mais calor, o que compromete a vida útil do LED. Devido a esse aumento de calor em altas correntes, os LEDs de alto brilho têm um valor padrão industrial de apenas 350 mA, corrente para a qual há um equilíbrio entre luminosidade, eficiência e durabilidade.[59][61][62][63].
Dada a necessidade de aumentar a luminosidade dos LEDs, isso não é conseguido aumentando os níveis de corrente, mas sim utilizando vários LEDs numa única lâmpada. Portanto, solucionar o problema de perda de eficiência das lâmpadas LED domésticas consiste em utilizar o menor número possível de LEDs em cada lâmpada, o que contribui para reduzir significativamente os custos.
Membros do Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos encontraram uma maneira de retardar a queda na eficiência. Eles descobriram que essa queda vem da recombinação Auger não radiativa produzida com os transportadores injetados. Para resolver isso, eles criaram poços quânticos com potencial de confinamento suave para reduzir processos Auger não radiativos.[64].
Pesquisadores da National Taiwan Central University e da Epistar Corp. estão desenvolvendo um método para reduzir a perda de eficiência usando substratos cerâmicos de nitreto de alumínio, que possuem uma condutividade térmica mais alta do que a safira usada comercialmente. Os efeitos de aquecimento são reduzidos devido à alta condutividade térmica dos novos substratos.[65]
Como a eficiência dos LEDs é maior em baixas temperaturas, essa tecnologia é ideal para iluminar freezers de supermercados.[69][70][71] Como os LEDs produzem menos calor residual do que as lâmpadas incandescentes,[68] seu uso em freezers também pode economizar custos de refrigeração. No entanto, podem ser mais susceptíveis ao gelo e à acumulação de gelo do que as lâmpadas incandescentes, razão pela qual alguns sistemas de iluminação LED foram equipados com um circuito de aquecimento. Além disso, foram desenvolvidas técnicas de dissipadores de calor para que possam transferir o calor produzido na junção para as partes do equipamento de iluminação que possam ser de interesse.[72].
Um dos desafios pendentes de resolução é o desenvolvimento de LEDs verdes mais eficientes. O máximo teórico para LEDs verdes é de 683 lúmens por watt, mas em 2010 apenas alguns LEDs verdes excederam 100 lúmens por watt. Os LEDs azuis e vermelhos, entretanto, estão se aproximando dos seus limites teóricos.
Os LED multicoloridos oferecem a possibilidade não só de produzir luz branca, mas também de gerar luzes de diferentes cores. As cores mais perceptíveis podem ser formadas pela mistura de diferentes proporções das três cores primárias. Isso permite um controle preciso e dinâmico de cores. À medida que mais esforços são dedicados à pesquisa, o método LED multicolorido se torna mais influente como método fundamental usado para produzir e controlar a cor da luz.
Embora este tipo de LED possa desempenhar um bom papel no mercado, alguns problemas técnicos devem primeiro ser resolvidos. Por exemplo, a potência de emissão destes LEDs diminui exponencialmente com o aumento da temperatura, produzindo uma alteração substancial na estabilidade da cor. Esses problemas podem impossibilitar seu emprego na indústria. Por esta razão, muitos novos projetos de encapsulamento foram feitos e seus resultados estão sendo estudados por pesquisadores. Obviamente, LEDs multicoloridos sem fósforos nunca podem fornecer uma boa iluminação porque cada um deles emite uma faixa de cor muito estreita. Assim como os LEDs sem fósforo são uma solução muito pobre para iluminação, eles oferecem a melhor solução para retroiluminação de LCD ou iluminação direta com displays de pixel LED.
Na tecnologia LED, a diminuição da temperatura de cor correlacionada (CCT) é uma realidade difícil de evitar porque, juntamente com a vida útil e os efeitos da variação da temperatura dos LEDs, a cor real final dos LEDs acaba sendo modificada. Para corrigir isso, sistemas com loops de feedback fornecidos, por exemplo, com sensores de cor são usados para monitorar, controlar e manter a cor resultante da sobreposição de LEDs de cor única.[101].
Os LEDs brancos também podem ser fabricados com LEDs quase ultravioleta (NUV) revestidos com uma mistura de fósforos de európio de alta eficiência que emitem vermelho e azul, além de sulfeto de zinco dopado com cobre-alumínio (ZnS:Cu, Al) que emite verde. Este procedimento é análogo ao funcionamento das lâmpadas fluorescentes. O procedimento é menos eficiente que o dos LEDs azuis com fósforo YAG:Ce, pois o deslocamento de Stokes é mais importante, portanto uma fração maior da energia é convertida em calor, embora ainda seja gerada uma luz com melhores características espectrais e, portanto, com melhor reprodução de cores.
Como os LEDs UV têm uma radiação de saída mais alta do que os LEDs azuis, ambos os métodos oferecem brilho semelhante. Uma desvantagem deste último é que um possível vazamento de luz UV de uma fonte de luz com defeito pode causar danos aos olhos ou à pele humana.
Eles geralmente são feitos de material semicondutor e podem conter de nenhum a vários milhares de elétrons. Os elétrons dentro do ponto quântico se repelem, a introdução de elétrons adicionais custa energia e obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, que proíbe dois elétrons de ocuparem o mesmo estado quântico simultaneamente. Conseqüentemente, os elétrons em um ponto quântico formam órbitas de maneira muito semelhante às dos átomos e, em alguns casos, são chamados de átomos artificiais. Eles também apresentam comportamentos eletrônicos e ópticos semelhantes aos dos átomos. A sua aplicação pode ser muito diversificada, para além da optoelectrónica e da óptica, na computação quântica, no armazenamento de informação para computadores tradicionais, na biologia e na medicina.
As propriedades ópticas e de confinamento quântico do ponto quântico permitem que sua cor de emissão seja ajustada do visível ao infravermelho.[107][108] Os LEDs de pontos quânticos podem produzir quase todas as cores no diagrama CIE. Além disso, eles oferecem mais opções de cores e melhor representação de cores do que os LEDs brancos discutidos nas seções anteriores, uma vez que o espectro de emissão é muito mais estreito, o que é característico de estados quânticos confinados.
Existem dois procedimentos para a excitação de QDs. Utiliza-se fotoexcitação com uma fonte de luz LED primária (LEDs azuis ou UV são comumente usados para isso). O outro procedimento utiliza excitação elétrica direta demonstrada pela primeira vez por Alivisatos et al.[109].
Um exemplo de procedimento de fotoexcitação é o desenvolvido por Michael Bowers, na Universidade Vanderbilt, em Nashville, criando um protótipo que consistia em cobrir um LED azul com pontos quânticos que emitiam luz branca em resposta à luz azul do LED. O LED modificado emitia uma luz branco-amarelada quente semelhante à das lâmpadas incandescentes.[110] Em 2009, a pesquisa começou com diodos emissores de luz usando QD em aplicações em televisores com tela de cristal líquido (LCD).[111][112].
Em fevereiro de 2011, cientistas da PlasmaChem GmbH foram capazes de sintetizar pontos quânticos para aplicações de LED, criando um conversor de luz que poderia efetivamente transformar a luz azul em luz de qualquer outra cor por centenas de horas. Esses pontos quânticos também podem ser usados para emitir luz visível ou infravermelha próxima, excitando-os com luz de comprimento de onda mais curto.
A estrutura dos LEDs de pontos quânticos (QD-LED) utilizados para a excitação elétrica do material possui um design básico semelhante ao dos OLEDs. Uma camada de pontos quânticos está localizada entre duas camadas de um material capaz de transportar elétrons e buracos. Ao aplicar um campo elétrico, elétrons e buracos se movem em direção à camada de pontos quânticos e se recombinam formando excitons; Cada exciton produz um par elétron-buraco, emitindo luz. Este esquema é normalmente considerado para exibições de pontos quânticos. A grande diferença dos OLEDs está no seu tamanho muito pequeno e, como consequência, geram os efeitos e propriedades ópticas do confinamento quântico.
Os QDs também são muito úteis como fontes de excitação para imagens de fluorescência devido à estreita faixa de comprimentos de onda emitidos pelo QD que se manifesta na estreita largura de banda do pico no espectro de emissão (propriedade devido ao confinamento quântico). Por esta razão, o uso de LEDs de pontos quânticos (QD-LED) tem se mostrado eficiente na técnica de microscopia óptica de campo próximo").[114].
No que diz respeito à eficiência energética, em Fevereiro de 2008 foi conseguida uma emissão de luz quente com uma eficiência luminosa de 300 lúmens de luz visível por watt de radiação (não por watt eléctrico) através da utilização de nanocristais.[115].
Um filamento de LED consiste em vários chips de LED conectados em série em um substrato longitudinal formando uma barra fina que lembra o filamento incandescente de uma lâmpada tradicional.[126] Os filamentos estão sendo usados como uma alternativa decorativa de baixo custo às lâmpadas tradicionais que estão sendo descontinuadas em muitos países. Os filamentos requerem uma tensão de alimentação bastante elevada para iluminar com brilho normal, podendo funcionar de forma eficiente e fácil nas tensões de rede. Um retificador simples e um limitador de corrente capacitivo são frequentemente usados como um substituto de baixo custo para a lâmpada incandescente tradicional, sem a inconveniência de ter que construir um conversor de baixa tensão e alta corrente, conforme exigido por diodos LED individuais. Eles são normalmente montados dentro de um invólucro hermético que tem um formato semelhante ao das lâmpadas que substituem (em forma de lâmpada, por exemplo) e preenchido com um gás inerte, como nitrogênio ou dióxido de carbono, para remover o calor de forma eficiente. Os principais tipos de LEDs são: dispositivos em miniatura, de alta potência e designs comuns, como alfanuméricos ou multicoloridos.[128].
A luz LED é usada em uma técnica de tratamento de pele chamada fototerapia. Lembremos que a luz emitida pelas diferentes ligas semicondutoras é muito monocromática. A cada uma das cores (azul, amarelo, vermelho, etc.) é atribuída atividade prioritária num determinado processo terapêutico, por exemplo, promover a cicatrização (luz azul), atacar uma determinada estirpe de bactérias (várias cores), clarear manchas dérmicas (luz vermelha), etc.
Muitos materiais e sistemas biológicos são sensíveis ou dependentes da luz. As luzes de cultivo usam LEDs para aumentar a fotossíntese nas plantas. Bactérias e vírus podem ser removidos da água e de outras substâncias através da esterilização UV LED.