Como funcionam os LEDs (ART096) Os LEDs ou Diodos Emissores de Luz no so apenas fontes importantes de luz para os circuitos eletrnicos. Suas caractersticas semelhantes s de um diodo semicondutor possibilitam a aplicao desses componenres em funes diversas. Atualmente o projetista pode contar com uma infinidade de tipos de diodos emissores de luz para seus projetos. Neste artigo faremos uma anlise de seu princpio de funcionamento e como eles devem ser usados corretamente.

Para entender bem como funciona um LED devemos compar-lo com outra fonte de luz bem conhecida que a lmpada incandescente. As lmpadas incandescentes funcionam quando um filamento de metal colocado no seu interior se aquece pela passagem de uma corrente. Os tomos tem seu grau de agitao de tal forma aumentado que ocorre a emisso de luz. Para que o metal no se queime com o oxignio atmosfrico, o filamento encerrado num bulbo de vidro dentro do qual o ar atmosfrico ou completamente retirado ou substitudo por uma mistura de gases inertes, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 Estrutura de uma lmpada incandescente comum.

Entretanto, conforme mostra a figura 2, uma lmpada incandescente como um transmissor de rdio sem sintonia, um transmissor de rudo. Os comprimentos e onda da luz que ela emite se espalham por todo o espectro.

Figura 2 Espectro de emisso de uma lmpada incandescente comum.

Dependendo da tenso aplicada lmpada, teremos predominncia de certos comprimentos de onda e a luz emitida poder ser amarelada, branca ou mesmo tender para o azulado. No portanto uma luz pura a emitida por uma lmpada incandescente comum.

O LEDLED a abreviao de Light Emmiting Diode ou Diodo Emissor de Luz e seu princpio de funcionamento pode ser entendido a partir da anlise do que ocorre com a estrutura da figura 3 quando uma corrente eltrica a percorre.

Figura 3 Emisso de radiao por uma juno PN percorrida por uma corrente.

Nesta estrutura temos uma juno PN, ou seja, um diodo semicondutor comum que os leitores j conhecem, pois trata-se de um componente muito usado em nossos projetos. Quando uma corrente atravessa a juno o processo de recombinao dos portadores de carga faz com que ocorra um estmulo e emisso que se concentra principalmente na faixa do infravermelho. Uma caracterstica importante observada nessa radiao que, em lugar de sua freqncia ser aleatria, como no caso da lmpada incandescente que se espalha pelo espectro, ela tem uma freqncia muito bem definida, que depende do tipo de material usado no semicondutor, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 Espectro estreito de uma juno PN.

Podemos dizer que, diferentemente de uma lmpada comum, a radiao emitida neste caso sintonizada j que tem freqncia nica. Para os diodos comuns de silcio, onde foi descoberto o fenmeno, a intensidade de radiao emitida muito pequena e praticamente no h utilidade para ela. No entanto, descobriu-se tambm que se fossem usados outros materiais semicondutores e ainda fossem acrescentados dopantes especiais era possvel emitir luz com maior intensidade e em diversas faixas do espectro. Os primeiros diodos emissores de luz criados foram ento de um material denominado Arseneto de Glio e Arseneto de Glio com Indio (FgaAs e GaAsI) emitindo radiao principalmente na faixa dos infravermelhos. O passo seguinte foi a criao de materiais capazes de emitir radiao com comprimentos de onda cada vez menores at cair na parte do espectro visvel. Surgiram ento os primeiros LEDs capazes de emitir luz no espectro visvel, na regio do vermelho. Na figura 5 temos um LED comum com sua estrutura interna.

Figura 5 Estrutura interna de um LED.

Observe que a cor da luz do LED no vem do plstico que o envolve. A cor a luz depende da pastilha do material semicondutor usado. Se um LED usa plstico vermelho, porque este plstico tem a mesma cor da luz emitida e no ele que determina essa radiao. LEDs com plstico transparente ou branco podem emitir luz de diversas cores...O passo seguinte consistiu no desenvolvimento de LEDs que passaram a ter cores com comprimentos de onda cada vez menores dentro do espectro visvel, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 Os LEDs evoluem rumo a comprimentos de onda cada vez menores.

Hoje j possvel obter LEDs capazes de emitir luz azul e mesmo violeta. Os LEDs com emisso ultravioleta esto prestes a serem lanados. Uma das principais vantagens dos LEDs em relao s lmpadas quando so usados como fontes de luz o seu rendimento. Um LED comum pode ter rendimento superior a 80% enquanto que existem tipos de alto rendimento e alto-brilho que vo muito alm. Uma lmpada comum incandescente, por outro lado, desperdia a maior parte da energia que aplicamos na forma de calor. Apenas 20 a 25% da energia consumida por uma lmpada incandescente luz. O restante calor. Mas, no s possvel montar uma pastilha emissora num componente. Podemos montar duas pastilhas, ou mesmo mais, no mesmo componente e assim obter LEDs bicolores, como o mostrado na figura 7.

Figura 7 Dois LEDs no mesmo invlucro, formando um LED bicolor.

Dependendo da pastilha que conectada ao circuito o LED acende com luz vermelha ou verde. Para produzir luz branca ou de qualquer outra cor a partir de LEDs existe uma possibilidade interessante que baseada no mesmo princpio de funcionamento da TV em cores.Sabemos que, a partir de trs cores bsicas, vermelho (Red R), verde (green G) e azul (Blue B) podemos obter qualquer outra cor, bastando simplesmente dosar a quantidade com que cada uma entra na composio. Dessa forma, num televisor em cores os pontos de imagem so formados por trades que nada mais so do que pontos de fsforos nas cores RGB, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 Trade formando um pixel da tela de um televisor em cores ou monitor de vdeo.

Se montarmos num invlucro nico trs pastilhas semicondutoras de LEDs correspondentes s cores RGB (vermelho, verde e azul), podemos controlar a corrente em cada um e assim gerar luz de qualquer cor, conforme mostra a figura 9.

Figura 9 Gerando cores com um LED RGB.

Um painel de LEDs RGB pode gerar imagens em cores e essa aplicao j existe. A combinao correta das trs cores pode ainda resultar na luz branca. Existem ento LEDs brancos que substituem lmpadas comuns, com vantagens, em pequenas lanternas e outras aplicaes. O baixo consumo e maior rendimento em relao a uma lmpada comum tornam esses LEDs opes muito interessantes para esta aplicao.Caractersticas EltricasOs LEDs se comportam como diodos enquanto que as lmpadas incandescentes representam cargas resistivas no lineares. Podemos comparar as curvas caractersticas dos trs dispositivos (lmpada, resistor e LED) atravs do grfico mostrado na figura 10.

Figura 10 Curvas caractersticas dos LEDs, resistores e lmpadas comparadas.

Ampliando as caractersticas dos LEDs de diferentes cores, vemos que o ponto em que eles comeam a conduzir pode variar conforme sua cor. A figura 11 mostra isso.

Figura 11 Curvas dos diversos tipos de LEDs. Observe as tenses de conduo.Enquanto um diodo de germnio comea a conduzir com 0,2 V e um diodo de silcio com 0,7 V, um LED vermelho comum precisa de pelo menos 1,6 V para comear a conduzir e um LED azul pelo menos 2,7 V. Nas aplicaes que usam baterias, a alimentao de LEDs com maiores tenses exige circuitos especiais. Assim comum que em telefones celulares, e outros aplicativos que so alimentados por baterias de 2,7 a 3,3 V, sejam usados circuitos especiais que aumentam a tenso para poder excitar os LEDs conforme mostra a figura 12.

Figura 12 Usando um conversor (boost) para elevar a tenso aplicada a um LED a partir de pilhas.

Mas, ao usar um LED no basta levar em conta a tenso que ele precisa para acender. Existem outros fatores a serem considerados.Um deles o comportamento do LED semelhante ao de um diodo. Quando o LED comea a conduzir, sua resistncia cai de tal forma que, se no houver um resistor para limitar a corrente ela aumenta a ponto de causar sua queima. As curvas caractersticas mostram esse aumento rpido da corrente com a tenso a partir do ponto de conduo. Isso significa que, nas aplicaes prticas, obrigatrio ligar em srie com um LED um resistor limitador, conforme mostra o circuito da figura 13.

Figura 13 Os LEDs devem ser sempre usados com resistores limitadores de corrente.

O valor desse resistor vai depender da corrente que desejamos para o LED e da tenso disponvel. O clculo pode ser feito de maneira simples utilizando-se a seguinte frmula:

R = (V Vd)/I

Onde:R e a resistncia que deve ser ligada em srie com o LED (ohms)V a tenso contnua de alimentaoVd a queda de tenso no LED dada pela tabela abaixoI a corrente no LED

Cor VdInfravermelho 1,6 VVermelho 1,6 VLaranja 1,8 VAmarelo 1,8 VVerde 2,1 VAzul 2,7 VBranco 2,7 V

A potncia de dissipao do resistor ser dada por:

P = R x I2Onde:P a potncia dissipada em wattsR a resistncia em srie em ohmsI a intensidade da corrente em ampres

Conforme podemos ver pelas curvas caractersticas, a tenso de ruptura inversa de um LED relativamente baixa, algo em torno de 5 V para os tipos comuns. Isso significa que devemos tomar cuidado para que mais de 5 V no sentido inverso no aparea sobre um LED quando o alimentamos com corrente alternada. Isso pode ser evitado com o uso de um diodo em paralelo, conforme mostra a figura 14.

Figura 14 Alimentando um LED com fonte de tenso alternada.

Podemos alimentar diversos LEDs em srie a partir de uma mesma fonte com apenas um resistor. No se recomenda ligar os LEDs em paralelo conforme mostra a figura 15.

Figura 15 Ligao de LEDs em srie e em paralelo.

Com esta ligao a corrente no se distribui igualmente entre os LEDs, pois eles sempre tm pequenas diferenas de caractersticas. Isso faz com que sempre um LED brilhe mais do que o outro. Uma das maneiras de se alimentar diversos LEDs com o circuito mostrado na figura 16 em que os alimentamos em srie.

Figura 16 R deve ser calculado em funo da tenso de entrada e corrente nos LEDs.

O clculo do resistor R, para ser ligado em srie, ser realizado com a utilizao da seguinte frmula:

R = (V nVd)/I (Para V > nVd + 2 V)

Onde:R o valor do resistor em ohmsV a tenso de alimentaon o nmero de LEDs ligadosVd a queda de tenso em cada LED conforme tabela que damos anteriormente (em volts)I a intensidade da corrente que desejamos nos LEDs.

Veja que nVd ou seja, a queda de tenso total nos LEDs deve ficar pelo menos 2 V abaixo da tenso de entrada. Outra forma de se alimentar LEDs de forma eficiente com o uso de uma fonte de corrente constante como a mostrada na figura 17.

Figura 17 Fonte de corrente constante com circuito integrado.

Nesta fonte a corrente nos LEDs se mantm constante independentemente de variaes da tenso de entrada. O resistor Rx calculado pela seguinte frmula:

R = 1,25/I

Onde:R o valor do resistor em ohmsI a intensidade da corrente nos LEDs em ampres

A tenso de entrada neste circuito deve ser pelo menos 2 V maior que a queda de tenso nos LEDs que so alimentados. Como elemento ativo os LEDs podem servir de referncias de tenso, como na fonte de corrente constante mostrada na figura 18.

Figura 18 Fonte de corrente constante usando um LED como referncia de tenso.

Finalmente, para alimentar LEDs brancos ou de alto rendimento a partir de fontes de baixa tenso podem ser usadoscircuitos integradosespecficos como o mostrado na figura 19.

Figura 19 Circuito integrado dobrador de tenso para alimentar LEDs a partir de baixas tenses.

Esse circuito consiste num dobrador de tenso que eleva a tenso de entrada no circuito a um valor que seja mais apropriado excitao do LED.

ConclusoOs LEDS esto presentes numa infinidade de aplicaes e suas caractersticas eltricas exigem cuidados especiais quando o alimentamos. Usados corretamente os LEDs apresentam grande rendimento e uma vida til extremamente longa o que os torna ideal como substituto das lmpadas comuns.