Tese Edilson Mineiro LEDs

7/22/2019 Tese Edilson Mineiro LEDs

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EDILSON MINEIRO S JUNIOR

ESTUDO DE ESTRUTURAS DE REATORES ELETRNICOS

PARA LEDs DE ILUMINAO

FLORIANPOLIS2010


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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO

EM ENGENHARIA ELTRICA

ESTUDO DE ESTRUTURAS DE REATORES ELETRNICOS

PARA LEDs DE ILUMINAO

Tese submetida

Universidade Federal de Santa Catarina

como parte dos requisitos para a

obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.

EDILSON MINEIRO S JUNIOR

Florianpolis, Fevereiro de 2010


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Catalogao na fonte pela Biblioteca Universitria da

Universidade Federal de Santa Catarina

.S111e S Junior, Edilson Mineiro

Estudo de estruturas de reatores eletrnicos para

LEDs de iluminao [tese] / Edilson Mineiro S Junior

; orientador, Arnaldo Jos Perin. - Florianpolis,

SC 2010.

185 f.: il., grafs., tabs.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa

Catarina, Centro Tecnolgico. Programa de Ps-Graduao

em Engenharia Eltrica.

Inclui referncias

1. Engenharia eltrica. 2. Reatores eletrnicos. 3.

Conversores CC-CC. 4. Iluminao. 5. LEDs. 6. Circuitos

auto-oscilantes. I. Perin, Arnaldo Jose. II. Universidade

Federal de Santa Catarina. Programa de Ps-Graduao em

Engenharia Eltrica. III. Ttulo.

CDU 621.3


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iii

minha esposa Daniele.

Aos meus filhos Victor e Ana Clara.


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AGRADECIMENTOS

Evito fazer agradecimentos, temeroso de esquecer pessoas importantes, mas tenho aobrigao de faz-los.

Ao Professor Arnaldo Perin pela orientao, compreenso e amizade que muito

contriburam no desenvolvimento deste trabalho.

Ao Professor Fernando Antunes que sempre me apoiou e orientou na minha trajetria

profissional.

Ao Professor Denizar Cruz pela sua confiana em meu trabalho.

Aos professores e profissionais do Instituto de Eletrnica de Potncia da Universidade

Federal de Santa Catarina INEP/UFSC e do Grupo de Processamento de Energia e Controle da

Universidade Federal do Cear GPEC/UFC, pela colaborao em diversos momentos.

Aos membros da banca examinadora pelas revises, correes e sugestes.

Aos meus colegas e amigos, Kleber, Claudinor, Joo Amrico e Romeu, que dividiram a

sala comigo no INEP e colaboraram em diversas ocasies.

Aos demais amigos e colegas do INEP e do GPEC que de alguma forma contriburam para

minha formao.

Aos amigos de Florianpolis que me ajudaram a superar a saudade e a distncia do lar.

A minha esposa Daniele pela pacincia, amor, carinho e compreenso.

Ao governo que deu apoio financeiro a este trabalho, atravs da CAPES, FUNCAP, CNPq,

FINEP e Eletrobrs.


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Resumo da Tese apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios para obteno do

grau de Doutor em Engenharia Eltrica

ESTUDO DE ESTRUTURAS DE REATORES ELETRNICOSPARA LEDs DE ILUMINAO

Edilson Mineiro S Junior

Fevereiro/2010

Orientador: Prof. Arnaldo Jos Perin, Dr. Ing.

Co-orientadores: Prof. Fernando Luiz Marcelo Antunes, PhD.Prof. Denizar Cruz Martins, Dr. Ing.

rea de Concentrao: Eletrnica de Potncia e Acionamentos Eltricos.

Palavras Chave: Reator eletrnico, LEDs, conversores CC-CC, iluminao, correo do fator de

potncia, circuitos auto-oscilantes.

Nmero de pginas: 185

RESUMO: Este trabalho tem como objetivo especfico estudar estruturas de reatores eletrnicospara LEDs de iluminao. Primeiramente so avaliadas as propriedades eltricas, pticas e trmicas

dos LEDs de potncia. apresentado um modelo eltrico simplificado para simulao e

considerada a influncia da temperatura da juno nos LEDs, nas suas caractersticas pticas e

eltricas. Tambm proposto um mtodo de estimao da temperatura da juno para os LEDs de

potncia. A seguir, so analisadas as caractersticas necessrias para as fontes de alimentao dos

LEDs de potncia, e a influncia do tipo de modulao utilizada para modificar a sua intensidade

luminosa. So propostos conversores CC-CC auto-oscilantes para os LEDs de potncia e umatcnica para equalizao de corrente em vetores de LEDs. A aplicabilidade dos conversores CC-CC

bsicos tambm analisada. Alm disso, avaliada a aplicao dos conversores srie ressonantes

nos LEDs de potncia. O modelo eltrico simplificado foi utilizado para a anlise e para o

dimensionamento do conversor srie ressonante. Tambm ponderada a insero de um capacitor

de filtro em paralelo com os LEDs, bem como a operao do conversor sem o capacitor eletroltico

do barramento de corrente contnua. Os conversores srie ressonantes auto-oscilantes e a integrao

de estgios para correo do fator de potncia so avaliados. Resultados experimentais dos

prottipos so obtidos, analisados e discutidos para validao das metodologias aplicadas.


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Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the

degree of Doctor in Electrical Engineering

DRIVERS FOR LIGHTING LEDs

Edilson Mineiro S Junior

February/2010

Advisor: Prof. Arnaldo Jos Perin, Dr. Ing.

Co-advisor: Prof. Fernando Luiz Marcelo Antunes, PhD.

Prof. Denizar Cruz Martins, Dr. Ing.Concentration Area: Power Electronics and Electrical Drives.

Keywords: Electronic Driver, DC-DC converters, illumination, power factor correction, self-

oscillating circuits.

Number of pages: 185

Abstract: This work aims to study specific topologies of electronic drives for lighting LEDs. Firstly

it is considered the electrical, optical and thermal properties, of power LEDs. Following, it is

presented a simplified LED electrical model for simulation, and it is analyzed the influence of the

LED junction temperature in its optical and electrical characteristics. It is also proposed a method

for estimating junction temperature for power LEDs. In the sequence, the characteristics required to

power supplies for LED, and the influence of the modulation strategy used to change the light

intensity of power LEDs are analyzed. DC-DC self-oscillating converters for power LEDs are

proposed. The applicability of basic DC-DC converters is analyzed. Moreover, the application of

series resonant converters in power LEDs is presented. The simplified LED electric model was used

for the analysis and for the design of series resonant converters. It is also analyzed the insertion of a

filter capacitor in parallel with the LEDs, as well as the converter operation without the DC bus

electrolytic capacitor. The self-oscillating series resonant converters and integration stages for

power factor correction are analyzed. Experimental results of the prototypes are obtained, analyzed

and discussed to validate the proposed methodologies.


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SUMRIO

Captulo 1 Introduo Geral ........................................................................................... 11.1. Introduo................................................................................................................... 1

1.2. Objetivos e estruturao do trabalho .......................................................................... 8

Captulo 2 LEDs de Potncia ......................................................................................... 112.1. Introduo................................................................................................................. 112.2. Funcionamento bsico dos LEDs ............................................................................. 122.3. Perdas nos LEDs.......................................................................................................152.4. Cores dos LEDs ........................................................................................................172.5. Obteno de luz branca com os LEDs...................................................................... 18

2.5.1. LED azul recoberto por uma camada de fsforo amarelo ................................. 192.5.2. LED ultravioleta recoberto por uma camada de fsforo ................................... 242.5.3. Combinao de LEDs de diferentes cores......................................................... 25

2.6. Representao matemtica das caractersticas do LED............................................292.6.1. Modelo eltrico simplificado............................................................................. 292.6.2. Extrao dos parmetros do modelo eltrico simplificado................................332.6.3. Influncia da temperatura na curva I-Vdo LED ............................................... 39

2.7. Gerenciamento Trmico dos LEDs .......................................................................... 412.8. Dimensionamento trmico dos LEDs....................................................................... 462.9. Proposio de um mtodo de estimao da temperatura da juno para LEDs de

potncia............................................................................................................................532.10. Concluso ...............................................................................................................62

Captulo 3 Conversores CC-CC para LEDs de Potncia............................................ 643.1. Introduo................................................................................................................. 643.2. Caracterstica da fonte utilizada para alimentar o LED............................................ 643.3. Influncia da modulao nos LEDs de potncia ...................................................... 663.4. Caractersticas dos conversores CC-CC para LEDs de potncia ............................. 703.5. Conversores lineares................................................................................................. 713.6. Conversores CC-CC bsicos aplicados em LEDs de potncia.................................73

3.6.1. Conversor buck.................................................................................................. 743.6.2. Conversor boost................................................................................................. 743.6.3. Conversor buck-boost........................................................................................75

3.7. Combinao de conversores CC-CC para alimentao de LEDs.............................76

3.7.1. Conversor buck quadrtico modificado............................................................. 773.7.2. Conversor buck com indutor derivado ..............................................................803.7.3. Conversor buck com indutor derivado, com alta reduo e baixa ondulaode corrente na sada ..................................................................................................... 823.7.4. Conversor buck cbico ......................................................................................83

3.8. Equalizao de corrente em LEDs de potncia ........................................................ 843.9. Resultados experimentais do conversor buck e buck quadrtico ............................. 87

3.9.1. Resultados experimentais do conversor buck.................................................... 873.9.2. Resultados experimentais do conversor buck quadrtico.................................. 90

3.10. Conversores CC-CC auto-oscilantes para LEDs de potncia................................. 923.11. Conversor buck auto-oscilante ............................................................................... 93

3.11.1. Conversor buck auto-oscilante com controle por histerese............................. 953.11.2. Resultados experimentais do conversor buck auto-oscilante proposto ........... 98


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3.12. Conversor flyback auto-oscilante ......................................................................... 1013.12.1. Resultados experimentais do conversor flyback auto-oscilante.................... 108

3.13. Concluso .............................................................................................................111

Captulo 4 Conversor srie ressonante aplicado aos LEDs de potncia ..................114

4.1. Introduo............................................................................................................... 1144.2. Anlise do circuito srie ressonante nos LEDs de potncia ...................................1144.2.1. Utilizao de um capacitor de filtro em paralelo com o LED de potncia...... 1194.2.2. Validao das equaes por simulao ........................................................... 1234.2.3. Resultados experimentais do circuito ..............................................................126

4.3. Operao sem o capacitor eletroltico do barramento ............................................ 1294.3.1. Validao das equaes por simulao ........................................................... 1324.3.2. Resultados experimentais do circuito ..............................................................134

4.4. Paralelismo de LEDs no conversor srie ressonante.............................................. 1384.5. Conversores srie ressonantes auto-oscilantes ....................................................... 139

4.5.1. Dimensionamento do circuito de comando e simulao ................................. 142

4.5.2. Resultados experimentais ................................................................................ 1474.5.3. Reduo do tempo de estocagem dos transistores bipolares ........................... 150

4.6. Transformadores eletrnicos aplicados aos LEDs de potncia .............................. 1524.7. Correo do fator de potncia em circuitos srie ressonantes aplicados aos LEDsde potncia..................................................................................................................... 158

4.7.1. Aplicao do circuito CS-CPPFC nos LEDs de potncia ............................... 1594.7.2. Aplicao do boost interleaved nos LEDs de potncia ................................... 163

4.8. Concluses.............................................................................................................. 168

Captulo 5 Concluses finais ........................................................................................171

Referncias bibliogrficas ............................................................................................... 175


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SIMBOLOGIA

1. Smbolos utilizados no trabalho

Smbolo Significado Unidade

Freqncia angular rad/s

Deslocamento angular entre a tenso e a corrente rad

Rendimento %

IRLED_% Ondulao de corrente %

o Freqncia angular natural de ressonncia rad/s

Cf Capacitor de filtro do circuito srie ressonante F

Cin Capacitor de entrada F

CO Capacitor de sada F

Cr Capacitor ressonante F

CZVS Capacitor auxiliar para comutao F

fs Freqncia de comutao do inversor Hz

IAVG Corrente mdia A

IAVG_MAX Valor mximo do valor mdio da corrente A

IF Corrente direta do diodo AIin Corrente de entrada A

ILb_pk Corrente de pico no indutor boost A

ILps Valor da corrente de saturao do transformador A

IMAX Corrente mxima admitida pelo LED A

IO Corrente de saturao reversa do diodo A

IPK_AVG_MAX O valor de pico mximo do valor mdio da corrente A

IRMS Corrente eficaz Ak Constante de Boltzmann (1,3805x10-23) J/K

Lr Indutor ressonante H

n Fator de idealidade -

n Lado negativo de uma junop-n -

Naux Nmero de espiras do enrolamento auxiliar -

Np Nmero de espiras do primrio -

Ns Nmero de espiras de secundrio -


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x

p Lado positivo de uma junop-n -

Pin Potncia na entrada W

PLED Potncia aplicada no vetor de LEDs W

Po Potncia na sada W

q Carga do Eltron (1,602x10-19) C

RLED Resistncia srie equivalente para n LEDs

RS Resistncia srie equivalente em um LED

T Temperatura K ou C

t Tempo s

V0 Tenso do modelo simplificado em um LED V

VCf Tenso no capacitor de filtro do circuito srie ressonante V

VF Tenso direta no diodo V

Vin Tenso de entrada V

VLED Tenso do modelo simplificado para n LEDs V

Vm Tenso de pico da rede eltrica V

VM_MAX Valor mximo da tenso de pico da rede eltrica V

2. Acrnimos e abreviaturas

Smbolo Significado

AM Modulao por Amplitude

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

CI Circuito Integrado

CIC Continuous Input Current

CP Charge PumpCPPFC Charge Pump Power Factor Correction

CS Current Source

FC Fator de Crista

FP Fator de Potncia

HB High Brightness

HID High Intensity Discharge

HPS High Pressure Sodium


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IR Infravermelho

IRC ndice de Reproduo de Cor

LED Light Emitting Diode

LPS Low Preassure Sodium

OLED Organic Light Emitting Diode

PC Phosphor-Converted

PFC Power Factor Correction

PWM Modulao por Largura de Pulso

RGB Red Green Blue

RGBW Red Green Blue White

SSL Solid State Lighting

TCC Temperatura de Cor Correlata

TDH Taxa de Distoro Harmnica

UV Ultravioleta

VS Voltage Source

3. Smbolos de unidades de grandezas fsicas

Smbolo SignificadoA ampere

C coulomb

Hz hertz

F faraday

K kelvin

H henry

s segundosV volt

W watt

ohm


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xii

4. Smbolos dos elementos de circuitos

Smbolo Significado

C Capacitor

D Diodo

L Indutor

LED Diodo Emissor de Luz

Dst Diac

Q Transistor

R Resistor

S Interruptor Ideal

M MOSFET

U Circuito Integrado

V Fonte de Tenso


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Captulo 1 Introduo Geral

1.1. Introduo

A humanidade depende da luz para a realizao da maioria das suas atividades. A

iluminao artificial foi descoberta h 500.000 anos com o fogo, o qual o homem

primitivo utilizava como refgio da escurido da noite. Provavelmente, ao mesmo tempo, a

humanidade inventou a luz porttil atravs da queima de um pequeno pedao de madeira,

surgindo a tocha. Por milhares de anos a combusto da madeira, do leo, da resina e de

outros comburentes primitivos foi utilizada para obteno de luz. Em 1772 a luz a gs foi

introduzida pelo inventor escocs William Murdoch e por mais de um sculo ela foi

utilizada com grande sucesso. Em torno de 1850 surgiu a lamparina a querosene, que se

tornou amplamente acessvel e teve grande impacto nas atividades noturnas do homem

civilizado [1].

A histria da iluminao, utilizando energia eltrica, comeou em torno de 1709

quando se obteve a descarga eltrica gerando luz no vcuo, atravs de mquinas de frico.

Porm somente em 1879 se obteve a lmpada com filamento incandescente, inventada por

Edison (Estados Unidos) e por Swan (Inglaterra). Esta nova lmpada funcionava com o

aquecimento de um filamento de carbono ou tungstnio dentro de um tubo de vidro, o qual

se tornava incandescente. Apesar da inovao, o uso das lmpadas incandescentes em vias

pblicas no era aceitvel, pois a sua eficincia era baixa (de 6% a 10%) e a sua vida til

era inferior a 1.000 horas, sob certas condies.

Em 1901, Peter Cooper Hewitt patenteou a primeira lmpada de vapor de mercrio

de baixa presso. Esta lmpada foi o primeiro prottipo da lmpada fluorescente moderna.

George Inmam, da General Electric, aprimorou o projeto original e criou a primeira

lmpada fluorescente prtica. Neste tempo, a eficcia luminosa destas lmpadas

fluorescentes era, aproximadamente, de 65 a 100 lm/W, dependendo do tipo de lmpada e

da sua potncia [2].

Em 1920 a lmpada de descarga de vapor de sdio de baixa presso (LPS Low

Pressure Sodium) foi obtida. Nesta lmpada, o tubo de descarga contm sdio e gases

inertes, nenio e argnio, com os eletrodos de descarga nas extremidades. A sua luz

emitida possui o inconveniente de ter uma curva de distribuio espectral monocromtica

correspondente cor amarela, o que distorce as outras cores. Assim, apesar da sua elevada


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2

eficincia luminosa, ela aplicvel em locais onde o contraste mais importante do que a

reproduo da cor. No seu surgimento, foi antecipado que a luz amarela emitida por esta

lmpada seria melhorada, se a presso pudesse ser aumentada dentro de certos limites, com

uma pequena perda na eficincia luminosa [3].

O principal problema para obter a lmpada de vapor de sdio de alta presso (HPS

High Pressure Sodium) foi encontrar um material para o tubo de descarga, sendo

transmissor de luz e resistente ao ataque do sdio nas altas temperaturas envolvidas. A

primeira lmpada prtica foi construda no incio dos anos 60 nos Estados Unidos. A

contnua pesquisa nesta rea resultou no aparecimento de lmpadas com melhor eficincia

luminosa e com extensa gama de potncias.

Iniciando prematuramente no sculo XX, a emisso de luz em um material slido,

causada por uma fonte eltrica, foi reportada e chamada de eletroluminescncia, nascendo

o diodo emissor de luz (LED Light Emitting Diode). A primeira publicao citando a

eletroluminescncia, mostrada na Fig. 1.1, foi escrita por Henry Joseph Round em 1907.

Este primeiro LED possua uma curva caracterstica de corrente-tenso de um retificador.

A sua luz era produzida devido ao contato de um cristal de SiC (carboneto de silcio) com

eletrodos metlicos, que formava um retificador Schottky por contato [4]. Em 1928,

Lossev reportou investigaes detalhadas do fenmeno de luminescncia observada nos

retificadores metal-semicondutor de SiC. Embora muitos LEDs de SiC tenham sido

comercializados nos anos 90, eles no eram um produto vivel. No final, os melhores

LEDs de SiC emitiam luz no espectro do azul (470 nm) e sua eficincia era de apenas

0,03%, o que no compete com os atuais semicondutores que utilizam compostos do grupo

III-V da tabela peridica.

Nos anos 50, cientistas britnicos conduziram experimentos no semicondutor de

GaAs, o qual exibiu eletroluminescncia, ou a emisso, de um baixo nvel de luzinfravermelha, levando a criao do primeiro LED moderno [2]. Em 1962, foi

desenvolvido, por Nick Holonyak Jr., o primeiro dispositivo utilizado como indicador,

mostrado na Fig. 1.2. Este LED emitia luz vermelha com baixssima eficincia, 0,1 lm/W,

e era baseado em camadas de GaAsP. Muitos dos avanos na tecnologia dos LEDs foram

feitos por alunos de Holonyak, como M. George Craford, que desenvolveu o primeiro LED

amarelo em 1970 e que encabea a companhia chamada Philips-Lumileds (em San Jos,

Califrnia) [5] e [6].


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3

Fig. 1.1 Primeira publicao reportando o fenmeno da eletroluminescncia [4].

Fig. 1.2 Primeiro LED indicador .

Nos anos 70 foram descobertos os primeiros LEDs de cor verde, laranja e amarelo.

No passado, os LEDs de diferentes cores possuam baixa eficincia e a cor emitida era

obtida utilizando filtros pticos (invlucro em epxi da cor desejada) [6].

Por dcadas, os pesquisadores de dispositivos semicondutores sonhavam em obter o

LED azul. As inovaes tecnolgicas obtidas por S. Nakamura nos anos 90, produzindo os

LEDs azuis e verdes baseados em GaN, tiveram um impacto profundo na tecnologia dos

LEDs. Com o desenvolvimento dos LEDs azuis de alto brilho, o mercado de LEDs cresceu

significativamente. Pela combinao do vermelho, do verde e do azul era possvel obter as

trs cores primrias, os painis luminosos com cores plenas (full-color) e a luz branca [7].

Paralelamente ao esforo de criar os LEDs brancos, os pesquisadores tm trabalhado para


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4

aprimorar a eficincia da tecnologia. Atualmente, em 2010, alguns LEDs comerciais

possuem eficcia luminosa superior a 100 lm/W, comparados com a eficcia luminosa das

lmpadas fluorescentes e de algumas lmpadas de descarga de alta intensidade (HID

High Intensity Discharge) [2].

Os LEDs convencionais incluem dispositivos de GaAsP (amarelo para o vermelho)

e de GaP (verde para o vermelho). Um novo desenvolvimento direcionado a vrios

materiais usados em LEDs de alto brilho (HB High Brightness) baseado em dispositivos

de AlGaAs (vermelho), de AlInGaP (amarelo-verde para o vermelho) e de InGaN (azul,

verde e branco, este ltimo obtido atravs de uma camada de fsforo). O

desenvolvimento dos LEDs dependente do avano das tecnologias empregadas para o

crescimento epitaxial dos semicondutores.

No final dos anos 70, aps a inveno dos LEDs verdes, o Dr. Ching Tang da

Eastman Kodak descobriu que ao enviar um impulso eltrico atravs de um composto de

carbono causava, desta forma, um brilho no material. Continuando a pesquisa neste

sentido, Dr. Ching Tang desenvolveu o primeiro diodo emissor de luz orgnico (OLED

Organic Light-Emitting Diode). Um artigo sobre sua pesquisa foi publicado em 1987.

Deste ento, os pesquisadores dos OLEDs tm desenvolvido OLEDs brancos, em

laboratrio, com eficincia de at 102 lm/W [2]. O primeiro dispositivo OLED de polmero

foi desenvolvido em 1990.

Os OLEDs tiveram melhorias dramticas em desempenho nos ltimos quinze anos.

Dois tipos principais de OLEDs surgiram, o baseado em polmero conjugado e o baseado

em materiais de pequeno peso molecular. Os materiais orgnicos requerem tecnologias

diferentes para a construo do dispositivo; evaporao trmica (o material evaporado

depositado em um substrato) ou camada formada por giro (em alta rotao a substncia

espalhada uniformemente no substrato). As propriedades eltricas, mecnicas e trmicasdos materiais de semicondutores orgnicos so diferentes dos materiais dos

semicondutores inorgnicos. Embora atualmente os OLEDs sejam vendidos

comercialmente apenas como displays, empresas esto desenvolvendo pesquisas com

OLEDs brancos para produtos comerciais, que podero ser vendidos no futuro para

aplicaes em iluminao geral [2].

O OLED possui um baixo consumo, elevada vida til e elevado contraste, quando

comparado com os displays de cristal lquido (LCD). A Fig. 1.3 mostra fotos de dois

displays baseados em OLEDs fabricados pela OSRAM. Como no existe atualmente um


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5

dispositivo OLED comercial para iluminao geral e no prevista a sua comercializao

antes de 2015, esta tecnologia no ser abordada neste trabalho.

Fig. 1.3 Displays baseados em OLED.

As trs fontes de luz tradicionais (lmpadas incandescente, fluorescente e HID)

possuem o atual nvel de eficincia aps 60 a 120 anos de pesquisa e desenvolvimento. Ospesquisadores das indstrias tm estudado todos os aspectos para aprimorar a eficincia

dessas fontes. Um incremento na eficincia possvel, mas pouco significante. Por outro

lado, a tecnologia da iluminao de estado slido (SSL Solid-State Lighting), que

compreende os LEDs e os OLEDs, tem o potencial para ter o dobro de eficincia das atuais

fontes de luz branca. Este prognstico baseado em projees de especialistas, mostrado

na Fig. 1.4 [2]. A evoluo dos LEDs, chamada de lei Crafords, mostra que o desempenho

da emisso de luz aumenta dez vezes a cada dcada.

Fig. 1.4 Evoluo das principais fontes de luz branca.

Os LEDs tm um importante papel em muitas aplicaes, em grandes painis

luminosos, em iluminao de automveis, em iluminao de avies e em semforos. Os

LEDs tero um papel muito mais importante no futuro, tanto na iluminao arquitetnica,


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6

quanto na iluminao em geral. Por outro lado, com os avanos da tecnologia de fabricao

na dimenso de nano escala, as aplicaes dos LEDs no sero mais limitadas s

aplicaes anteriormente citadas. A nova gerao de LEDs planares de alto brilho, como

por exemplo os LEDs com cavidade ressonante, mostra-se promissora em muitas

aplicaes avanadas. Em aplicaes para comunicao ptica e outras aplicaes, por

exemplo, em sensores, em impressoras e em digitalizadores de documentos [7].

Atualmente observa-se um crescente aumento no consumo de energia nos diversos

segmentos do mercado eltrico mundial, sendo que a energia consumida para iluminao

representa em torno de 20% do total. Atualmente os LEDs de alto brilho esto sendo

utilizados em aplicaes tradicionalmente dominadas pelas lmpadas incandescentes e

outras fontes de luz, sendo utilizados em sinais de trnsito, iluminao interna de veculos,

iluminao de ambientes arquitetnicos e painis luminosos com cores plenas. Segundo a

OIDA (Optoelectronics Industry Development Association) a eficcia luminosa dos LEDs

em 2002 estava em torno de 25 lm/W, em 2007 chegaria a 50 lm/W substituindo as

lmpadas incandescentes, em 2012 chegaria a 150 lm/W substituindo as lmpadas

fluorescentes e em 2020 chegaria 200 lm/W [8] e [9].

Hoje os LEDs podem ser divididos em trs categorias: LEDs indicadores, LEDs de

alto brilho (HB-LEDs) e LEDs de potncia. Os LEDs indicadores so os LEDs mais

comuns e geralmente possuem um invlucro colorido que tem a funo de filtro ptico. J

os LEDs de alto brilho emitem em um comprimento de onda especfico e no necessitam

de filtros pticos. Assim, estes LEDs so geralmente transparentes e possuem uma

eficincia maior que a dos LEDs indicadores, o que permite a extrao de um fluxo

luminoso maior. Os HB-LEDs j so bastante empregados em aplicaes sem necessidade

de reflexo da luz e em aplicaes com baixa luminosidade como, por exemplo, em

semforos, em painis eletrnicos e em lanternas. Os LEDs de potncia so caracterizadospela necessidade da utilizao de dissipador e por suportarem potncias maiores ou iguais

a 1W. Estes LEDs j so utilizados para iluminao em ambientes internos, sendo

aplicados em projetos arquitetnicos e vitrines, substituindo as lmpadas halgenas.

Atualmente, esto disponveis mdulos planares de LEDs, compostos por vrios

semicondutores em um nico encapsulamento, que podem ser chamados de LEDs de alta

potncia e que possuem uma potncia total de at 200 W. A Fig. 1.5 mostra os invlucros

mais comuns das trs categorias de LED.


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Fig. 1.5 Invlucros mais comuns das trs categorias de LED.

Vrios fabricantes desenvolvem LEDs brancos, com fsforo amarelo, para

aplicaes em iluminao. Entre estas companhias destacam-se: Lumileds, antigo

empreendimento conjunto entre Philips e Agilent Corporations, atualmente pertencente

apenas Philips e agora chamada de Philips-Lumileds; GELcore, empreendimento

conjunto da Emcore e GE Lighting Corporations; Nichia Corporation, empresa japonesa

que desenvolveu o primeiro LED azul (Nakamura) [4]; Osram Opto Semiconductors,

tambm fabricante de reatores eletrnicos para os LEDs; Cree Lighting Corporation, que

desenvolveu diodos de SiC e atualmente desenvolve LEDs de alta eficincia; Edson Opto,

que desenvolve mdulos planares de LEDs com potncia de at 200 W; Seoul

Semiconductor que possui uma linha de LEDs de potncia com conexo direta a rede

eltrica (110 V ou 220 V) [10].

Em outubro de 2006, Narukawa et al. [11], da Nichia Corporation, apresentaram

um LED branco de 20 mA com eficcia luminosa de 138 lm/W, sendo esta eficcia

luminosa 1,5 vezes maior do que a da lmpada fluorescente (90 lm/W). A mesma

tecnologia aplicada em um LED de 350 mA e de 106 lm, apresentou uma eficcia

luminosa de 91,7 lm/W. Para um LED de 2 A foi atingido um fluxo luminoso de 402 lm, o

que equivale a um fluxo total de uma lmpada incandescente de 30 W.

Em setembro de 2007, a empresa Cree desenvolveu um prottipo de uma matriz de

LEDs com eficcia luminosa de 95 lm/W para uma corrente de 350 mA. Em junho de

2008, a empresa Universal Display Corporation demonstrou um OLED com luz branca

fosforescente, com um recorde de eficcia de 102 lm/W para 1000 cd/m2. Neste mesmo

ms, a Philips Solid-State Lighting Solutions e a Cree desenvolveram, em conjunto, um

prottipo de uma lmpada branca quente (baixa temperatura de cor correlata), LED PAR

(Parabolic Aluminized Refletor refletor parablico com pelcula de alumnio). Para esta

lmpada, foi obtida uma eficincia de 69 lm/W e um fluxo luminoso de 681 lumens. Emsetembro de 2008, a empresa Cree criou um LED com eficcia de 107 lm/W para uma


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corrente de 350 mA [2]. Em novembro de 2008, a Cree apresentou um prottipo com

eficincia de 161 lm/W para uma corrente de 350 mA e um temperatura de cor correlata de

4689 K. A constante melhoria da eficincia nos LEDs, apesar das eficincias alcanadas

serem para uma temperatura de juno de 25 C, o mostra como o futuro da iluminao.

1.2.Objetivos e estruturao do trabalho

Este trabalho tem o objetivo especfico de estudar estruturas de reatores eletrnicos

para LEDs de iluminao. Entretanto, por ser uma tecnologia muito recente, necessria

uma anlise aprofundada desses componentes, o que permite determinar as estruturas de

potncia que podem ser aplicadas e dimensionar das mesmas. Tambm, ainda existe uma

falta de padronizao e de normas especficas para os LEDs de potncia, para algumas

aplicaes. Assim, dependendo da aplicao, as caractersticas pticas dos LEDs e eltricas

dos circuitos so comparadas com as caractersticas das lmpadas convencionais.

Para a indstria nacional a utilizao de estruturas otimizadas, e auto-oscilantes

quando possvel, permite a reduo dos custos de produo e o custo final do produto.

Desta forma, os produtos nacionais podem concorrer de forma mais significativa com os

produtos importados. Com produtos com menor custo, a difuso da iluminao com LEDs

poder ser acelerada, o que trar impactos como a reduo dos custos de operao e de

manuteno dos sistemas para iluminao, em decorrncia do elevado tempo de uso dos

LEDs. A popularizao da iluminao com LEDs tambm permitir a reduo de impactos

ambientais, com a reduo do uso de lmpadas de descarga que utilizam metais pesados.

Assim, a reduo do custo um fator importante neste trabalho, sendo analisada a

possibilidade da implementao de circuitos auto-oscilantes de baixo custo.

O texto desta tese est dividido em cinco captulos, que foram repartidos

considerando as anlises tericas necessrias, as caractersticas dos circuitos e os

experimentos desenvolvidos ao longo do estudo. Assim, em cada captulo constam as suas

respectivas anlises tericas, os seus resultados de simulao e os seus resultados

experimentais, quando necessrio.

O primeiro captulo mostra uma seqncia histrica do surgimento dos LEDs, o que

permite compreender o desenvolvimento desta tecnologia e as suas tendncias.

O segundo captulo analisa as propriedades eltricas, pticas e trmicas dos LEDs

de potncia. As tcnicas para obteno da luz branca com os LEDs so estudadas, sendo


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analisada a qualidade da luz gerada com cada tcnica abordada. Este estudo permite prever

a influncia da temperatura da juno semicondutora, da tcnica empregada e da

modulao, na luz branca obtida. Neste captulo tambm apresentado um modelo eltrico

simplificado para simulao e, posteriormente, analisada a influncia da temperatura da

juno nas caractersticas eltricas e no comprimento de onda emitido pela juno

semicondutora do LED. Devido a sua importncia, o gerenciamento trmico nos LEDs de

potncia e o dimensionamento trmico so abordados. Decorrente da anlise terica,

proposto um mtodo de estimao da temperatura da juno semicondutora para os LEDs

de potncia. Este mtodo de estimao foi apresentado em 2007 [12], sendo posteriormente

utilizada uma tcnica semelhante por pesquisadores do National Institute of Standard and

Technology(Estados Unidos) em 2008 [13].

O terceiro captulo analisa a caracterstica necessria s fontes de alimentao dos

LEDs de potncia e a influncia do tipo de modulao utilizada para modificar a

intensidade luminosa dos LEDs de potncia. Para utilizao da modulao por largura de

pulso, estudada a influncia da freqncia da modulao na aplicao dos LEDs para

iluminao. Tambm so analisados os conversores lineares e CC-CC aplicveis aos LEDs

de potncia, bem como a combinao de conversores CC-CC. Neste captulo so avaliados

conversores CC-CC auto-oscilantes para LEDs de potncia, sendo proposta a utilizao de

duas estruturas, o conversor buck auto-oscilante com controle por histerese e o conversor

flyback auto-oscilante. Nas estruturas, o modelo eltrico simplificado do LED inserido

para anlise e dimensionamento dos circuitos. Os detalhes de projeto, a unificao de

estgios para correo do fator de potncia e a implementao de alguns conversores no

so abordados, pois podem ser encontrados no livro Power Supplies for LED Driving, de

Steve Winger [14].

O quarto captulo analisa a aplicao dos conversores srie ressonantes nos LEDsde potncia. O modelo eltrico simplificado utilizado para a anlise do circuito srie

ressonante nos LEDs de potncia. Posteriormente, estudada a insero de um capacitor

de filtro em paralelo com os LEDs de potncia. Para possibilitar o aumento da vida til do

reator eletrnico, foi analisada a sua operao sem o capacitor eletroltico do barramento, o

que tambm permite a correo do fator de potncia. Os conversores srie ressonantes

auto-oscilantes aplicados aos LEDs de potncia so analisados. Para estes circuitos,

estudada a reduo do tempo de estocagem dos transistores bipolares, o que os torna

menos susceptveis s variaes de temperatura. Em decorrncia da popularizao da


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utilizao dos transformadores eletrnicos nas lmpadas dicricas, estes so estudados e

aplicados para reduo da tenso da rede eltrica. Com a utilizao de um estgio de sada,

eles so utilizados na alimentao dos LEDs de potncia. A correo do fator de potncia

em circuitos srie ressonantes aplicada aos LEDs de potncia tambm estudada. A

caracterstica no linear dos LEDs ponderada para alguns destes circuitos.

O quinto captulo descreve as concluses finais, onde so mostradas as principais

caractersticas e aplicaes dos conversores estudados.


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Captulo 2 LEDs de Potncia

2.1. Introduo

Os Diodos Emissores de Luz (LEDs Light Emitting Diodes) j so bastante

utilizados para iluminao em aplicaes especiais como, por exemplo, em projetos

arquitetnicos de iluminao, em painis luminosos, em semforos e em sinalizao de

trnsito. Entretanto, este um pequeno nicho de aplicaes quando comparado com o uso

para iluminao em geral. Os LEDs, embora ainda possuam um alto custo inicial,

apresentam um elevado tempo de vida (> 50.000 horas). Esta caracterstica reduz os custos

com manuteno, o que os torna atrativos. Em algumas aplicaes, principalmente em

locais de difcil acesso, o aumento do intervalo entre as manutenes permite um rpido

retorno do investimento. Tambm, diferente do que ocorre com a maioria das lmpadas, a

sua intensidade luminosa cai lentamente com o tempo de uso e no se extingue

subitamente em condies normais de operao. Os LEDs so componentes de estado

slido e, por este motivo, constituem as lmpadas de estado slido (SSL - Solid State

Lighting). Eles tambm no possuem encapsulamento frgil, no possuem gases txicos,

no utilizam metais pesados e no oferecem nenhum risco de exploso, de quebra ou de

possibilidade de contaminao.

Os LEDs de potncia para iluminao surgiram h mais de uma dcada, mas s

recentemente tm sido publicados trabalhos dedicados aos LEDs com potncia igual ou

superior a 1 W. Os LEDs de potncia emitem luz na faixa de comprimento de onda visvel

e as perdas so convertidas em calor conduzido, o que geralmente obriga o uso de

dissipadores volumosos. Por isto, o aquecimento da juno dos LEDs um dos principais

problemas enfrentados pela atual tecnologia, pois provoca mudanas nas suas

caractersticas pticas e reduz o seu tempo de vida.

Este captulo analisa os LEDs de potncia, descrevendo os efeitos da temperatura

da juno na cor, na vida til e na intensidade luminosa do LED. Tambm descreve a

obteno de um modelo simplificado, que pode ser aplicado em simuladores como o

PSPICE. Alm da descrio e equacionamento dos efeitos fsicos no LED, este captulo

trata do gerenciamento e projeto trmico para estes dispositivos. No final, aps os

embasamentos fsico e matemtico, prope-se uma metodologia para estimao da


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12

temperatura da juno, a qual no sofre influncia da variao na resistncia srie na

tenso direta ou na resistncia trmica do LED.

2.2. Funcionamento bsico dos LEDs

O funcionamento do diodo emissor de luz, o LED, baseado em uma forma

especial de eletroluminescncia, produzida pela injeo de portadores em uma juno p-n.

Quando uma junop-n polarizada no sentido direto, os buracos do lado pe os eltrons

do lado nmovem-se em sentidos opostos em direo regio de depleo. Os buracos

injetados no lado n recombinam com eltrons que esto chegando regio de depleo,

enquanto os eltrons injetados no lado p recombinam com buracos que l se encontram.

Desta forma, todos os eltrons e buracos que participam da corrente se recombinam nas

imediaes da regio de depleo, numa camada de espessuraLpdo ladopeLndo lado n

[15]. A energia liberada pela recombinao dos eltrons com os buracos na regio de

depleo gera ftons, luz, detalhe mostrado na Fig. 2.1.

Fig. 2.1 Detalhe da recombinao e emisso de ftons em LED, quando alimentado por uma correntedireta.

Se a recombinao de cada par eltron-buraco resulta na emisso de apenas umfton, o semicondutor tem gapdireto. Entretanto, se o semicondutor da juno tiver gap

indireto, como Si ou Ge, alm dos ftons, a recombinao produz fnons e, portanto, calor.

Isto torna a emisso de luz pouco eficiente nos semicondutores de gapindireto. Por essa

razo preciso utilizar semicondutores degapdireto para fabricar lasers e LEDs. Entre os

semicondutores degapdireto destacam-se GaAs, InSb, InAs, InP, PbS, CdS e CdTe. Nem

todos os compostos do grupo III-V da tabela peridica so de gapdireto, sendo que GaP e

AlSb tmgapindireto [16].


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13

Os materiais mais utilizados na fabricao de LEDs indicadores so ligas ternrias

GaxAl1-xAs e GaAs1-xPx. O GaAs um semicondutor degapdireto, de baixa resistividade,

que pode ser facilmente dopado com impurezas noup, para a formao da junop-n. As

junes de GaAs tm grande eficincia de luminescncia em transies interbanda, que

ocorrem num comprimento de onda de aproximadamente 870 nm. Este valor corresponde

ao espectro relativo ao infravermelho. Como GaP tem um gapde energia maior, as ligas

formadas por GaAs e GaP tm transies interbanda com menor comprimento de onda que

em GaAs. interessante notar que ao contrrio de GaAs, GaP temgapindireto. Entretanto,

ogapda liga GaAs1-xPx direto parax < 0,45, como GaAs, porm torna-se indireto parax

> 0,45. A liga de composio GaAs0,6P0,4, comgapdireto, muito utilizada na fabricao

de LEDs que produzem luz vermelha em transies interbanda, com comprimento de ondaem 650 nm [16].

A liga GaxAl1-xAs tambm muito utilizada na fabricao de LEDs de alta

eficincia. comum encontrar dispositivos feitos com heterojunes de Ga0,3Al0,7As tipo n

e Ga0,6Al0,4As tipo p. Nesse sistema, os eltrons do lado n so injetados no lado p, onde

produzem transies para os nveis das impurezas aceitadoras, com emisso de ftons de

650 nm (vermelho). A radiao produzida no ladopatravessa o lado nsem absoro, pois

este tem umgapde energia maior, o que faz com que estes LEDs tenham eficincia muitoalta. No final da dcada de 1990 foi desenvolvida a tecnologia de fabricao de LEDs

eficientes de GaN, que tm umgapcorrespondente luz azul. Isto permitiu a fabricao de

painis eletrnicos contento agrupamentos de LEDs com as trs cores bsicas do espectro

visvel, simulando uma fonte de luz branca. Atualmente, a principal tecnologia utilizada

para obteno dos LEDs brancos utiliza LEDs azuis de GaN recobertos por um tipo de

fsforo amarelo.

A Fig. 2.2 mostra a configurao das camadas sobrepostas de um LED e a foto deum corte perpendicular em um LED convencional baseado no GaN [15]. Na camada tipop

ocorre o contato hmico e a formao dos buracos. Na regio de depleo ocorre a

liberao de ftons com alta eficincia e com baixas barreiras de energia. Na regio do tipo

nocorre o outro contato hmico. A camada de nucleao compreende a regio de interface

entre a camada do tipo ne o substrato. O substrato de safira utilizado para a deposio da

camada tipo ne nesta configurao atua como condutor trmico para a dissipao do calor

formado no componente.


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14

Fig. 2.2 Camadas de um LED de potncia [15].

A Fig. 2.3 mostra o detalhe dos contatos eltricos de um LED convencional

baseado em GaN. A luz destes dispositivos emitida atravs da camada superior de p-

GaN. Entretanto, devido a condutividade eltrica limitada da camada p-GaN, h a

necessidade de uma camada metlica superficial para propagao da corrente, a qual

depositada na superfcie da camada p-GaN. Esta camada metlica para propagao da

corrente composta de Ni e Au, que absorvem parcialmente a luz, resultando uma baixa

eficincia na extrao de luz. Para reduzir esta absoro, a espessura desta camada

restringida a poucas dezenas de Angstrons. Contudo, essa pequena espessura limita a

corrente propagada na camada p-GaN e, consequentemente, a potncia do dispositivo.

Assim, a potncia de operao destes dispositivos fica limitada pela estrutura da camada-p

[17].

Fig. 2.3 Detalhes de um LED de GaN comercial. A luz extrada parcialmente absorvida pelo contatometlico para propagao da corrente [17].

Outra forma de montagem do LED mostrada na Fig. 2.4. Neste tipo de montagem

a pastilha semicondutora invertida e o substrato de safira fica posicionado na parte

superior. Esta inverso possibilita uma troca maior de calor da pastilha semicondutora, o

que permite manter mais frios o fsforo amarelo (utilizado em LEDs brancos) e o material

encapsulante, que so colocados sobre o substrato de safira. Este tipo de montagem


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15

permite aumentar a densidade de potncia, sendo reportada a sua duplicao [15], [17] e

[18].

Fig. 2.4 LED com a pastilha semicondutora invertida.

A tecnologia da pastilha semicondutora invertida utilizada em LEDs brancos de 5

W e 180 lumens fabricados pela Philips-Lumileds. Esta tecnologia tambm permite um

aumento da extrao de luz da pastilha, uma vez que o substrato permite a luz escapar mais

facilmente. Entretanto, esta tecnologia necessita de mais etapas de fabricao, o que

aumenta o seu custo [18].

A definio do melhor processo a ser adotado para a construo dos LEDs depende

da evoluo na tecnologia dos materiais empregados e das tcnicas de crescimento das

camadas. Como exemplo, cita-se a utilizao de substratos condutores ou no-condutores.

2.3. Perdas nos LEDs

A propagao de corrente, a partir dos contatos eltricos, responsvel por parte

das perdas no LED. A camada p no possui uma alta condutividade eltrica, o que

ocasiona um espraiamento da corrente e gera perdas hmicas. Isso diretamente refletido

no modelo eltrico do LED, com uma contribuio para o aparecimento de uma resistncia

em srie intrnseca no modelo. A resistncia srie um parmetro crtico para os LEDs de

potncia e determina a densidade de potncia que ele pode operar [17].

Os contatos eltricos, eletrodos, so projetados para atingirem o objetivo de

otimizar tanto as propriedades eltricas quanto as propriedades pticas. As propriedades

eltricas bsicas dos contatos do LED foram primeiramente estudadas nos diodos de

barreira Schottky. Estes diodos so formados atravs de uma deposio de um metal em

um semicondutor, como nos contatos eltricos dos LEDs, resultando na formao de uma


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16

juno Schottky, a qual forma uma barreira de potencial na interface metal-semicondutor.

Entretanto, em muitos componentes do grupo III-V, a altura da barreira frequentemente

depende muito pouco do metal. Assim, baixas barreiras podem ser obtidas com a dopagem

do semicondutor e os contatos eltricos altamente condutivos possibilitam uma linearidade

e uma baixa resistncia [4].

Os LEDs com cor azul e verde, de GaInN, possuem uma resistncia srie maior do

que os LEDs de cor vermelho e mbar, de AlGaInP. A elevada resistncia srie nos LEDs

de GaInN pode ser atribuda a vrios fatores, incluindo a resistncia lateral na camada do

tipo npara dispositivos crescidos em substrato de safira, o forte efeito da polarizao que

ocorre em materiais da famlia do nitrito, a baixa condutividade da camada do tipo pe a

alta resistncia de contato da camada do tipo p. Entretanto, a condutividade da camada dotipopaumenta com o aumento da temperatura, o que resulta na reduo da resistncia srie

e a torna dependente da temperatura [4].

A resistncia srie tambm pode ser reduzida com a modificao nos eletrodos.

Esta modificao permite a reduo do caminho que a corrente percorre, reduzindo o

espraiamento e, conseqentemente, as perdas hmicas. A Fig. 2.5 mostra os caminhos

percorridos pelos eltrons em uma configurao convencional (a) e em (b) utilizando

eletrodos modificados usados em LEDs de potncia[15].

Fig. 2.5 Caminhos percorridos pelos eltrons: (a) configurao convencional e (b) eletrodos modificados.

A geometria do contado eltrico importante, alm da melhoria da distribuio decorrente, para extrao do mximo de luz. A Fig. 2.6 mostra algumas geometrias utilizadas

em LEDs de alto brilho: (a) contato circular simples para uma pastilha padro; (b) contato

com projeo; (c) e (d) contatos complexos para pastilhas largas [1]. Estes contatos so

projetados para que haja um equilbrio entre a reduo da resistncia srie e a quantidade

de luz refletida nos contatos. A luz refletida no responsvel diretamente pelas perdas

hmicas, mas responde pelas perdas pticas que tambm elevam a temperatura do

dispositivo.


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17

Fig. 2.6 Geometrias de contato utilizadas em LEDs de alto brilho: (a) contato circular simples para umapastilha padro; (b) contato com projeo; (c) e (d) contatos complexos para pastilhas largas [1].

Com o intuito de aumentar a eficincia, os fabricantes projetam os LEDs com oobjetivo de reduzir a resistncia em srie intrnseca e ao mesmo tempo otimizar a extrao

de luz da regio de depleo. Entretanto, apesar das variaes nas tcnicas de construo,

os LEDs possuem caractersticas eltricas semelhantes, pois o princpio bsico de

funcionamento o mesmo.

Assim, a eficincia total de um LED depende da eficincia quntica (ftons gerados

por eltron), da eficincia eltrica, da eficincia de extrao (ftons extrados por ftons

gerados), da eficincia do fsforo amarelo (quando utilizado em LEDs Brancos) e da

eficincia do seu encapsulamento. Diferente das lmpadas incandescentes e de descarga, os

LEDs basicamente emitem luz visvel e calor, o qual extrado por conduo. Assim, o

desenvolvimento da atual tecnologia focado na extrao do calor da juno e na reduo

dos efeitos da elevao da temperatura, o que permite o aumento das potncias destes

dispositivos.

2.4. Cores dos LEDs

A luz emitida por um LED monocromtica, sendo a cor dependente do cristal e da

impureza de dopagem com que o componente fabricado. Os compostos mais usados

atualmente nos LEDs de potncia so o AlInGaP e o InGaN. O LED que utiliza AlInGaP

pode emitir no comprimento de onda relativo ao vermelho ou ao amarelo, dependendo da

sua dopagem. J o que utiliza InGaN pode emitir no comprimento de onda relativo do azul

para o verde, que tambm depende da concentrao. A Fig. 2.7 mostra a faixa de

comprimento de onda em que os compostos de AlInGaP e de InGaN so utilizados.

100 m

250 m 350 m

(a) (b) (c) (d)


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18

Fig. 2.7 Faixa de comprimento de onda em que os compostos de AlInP e de InGaN so utilizados.

A localizao de diferentes LEDs no diagrama de cromaticidade (1931 CIE)

mostrada na Fig. 2.8 [19]. A inspeo da Fig. 2.8 revela que a localizao dos LEDs

vermelho e azul no permetro do diagrama de cromaticidade. Entretanto, os LEDs azul-

verde e verde esto localizados fora do permetro. Estes LEDs esto mais ao centro devido

largura de banda mnima do espectro de emisso e forte curvatura do diagrama de

cromaticidade na faixa de comprimento de onda do verde [4].

Fig. 2.8 Localizao de diferentes LEDs no diagrama de cromaticidade [4].

2.5. Obteno de luz branca com os LEDs

As trs formas mais utilizadas para obteno da luz branca so: a utilizao de um

LED azul recoberto por uma camada de fsforo amarelo, a utilizao de um LED

ultravioleta recoberto por uma camada de fsforo (semelhante s lmpadas fluorescentes) e

a combinao de LEDs de diferentes cores.


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2.5.1. LED azul recoberto por uma camada de fsforo amarelo

A obteno da luz branca a partir do LED azul recoberto por uma camada de

fsforo amarelo a forma mais simples e mais utilizada. Este LED, tambm chamado deLED branco PC (Phosphor-Converted), projetado de forma que uma parcela da luz azul

gerada atravesse a camada de fsforo, obtendo o espectro referente ao azul [20]. A outra

parcela da energia proveniente do azul absorvida pela camada de fsforo amarelo e

convertida na faixa complementar do espectro. O resultado desta combinao, mostrado na

Fig. 2.9, a luz branca com elevada temperatura de cor correlata. Devido converso de

parte da luz azul no espectro complementar, este componente tambm chamado de LED

de dupla converso. As intensidades relativas das duas bandas de emisso so

determinadas pela espessura do epxi contendo fsforo amarelo e pela concentrao de

fsforo suspenso no epxi. As duas bandas podem ser ajustadas para otimizar a eficincia

luminosa e o ndice de reproduo de cor caracterstico dos LEDs.

Fig. 2.9 Obteno da luz branca a partir do LED azul e da camada de fsforo amarelo [15] e [17].

O LED branco utilizando fsforo para converter o comprimento de onda, conforme

[4], foi primeiramente demonstrado por Bando et al. em 1996. O uso do LED de

GaInN/GaN, recoberto por fsforo, foi reportado por Nakamura et al. em 1995 e foi revisto

por Nakamura e Fason em 1997, conforme [4]. O elemento utilizado no fsforo para

converter o comprimento de onda o Ce (Cerium), que um elemento do tipo terra rara,

dopado com YAG com frmula qumica (Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce. A composioqumica do YAG e do dopante no de domnio pblico, como por exemplo, o Ce [4].

Um fator importante na escolha do modelo do LED branco PC a deposio da

camada de fsforo. Os LEDs de baixo custo geralmente possuem uma baixa conformidade

na deposio do fsforo, mostrada na Fig. 2.10.a, o que acarreta em uma mudana da

temperatura de cor ao longo do ngulo de viso. Em algumas aplicaes este problema

amenizado com a utilizao de uma lente difusora ou de outro tipo de ptica complementar

[21]. A deposio uniforme do fsforo, mostrada na Fig. 2.10.b, possibilita umatemperatura de cor constante para todo o ngulo de viso.


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20

Fig. 2.10 Deposio do fsforo amarelo [15], [17] e [18]: a) deposio no uniforme do fsforo e b)

deposio uniforme do fsforo.

A Fig. 2.11 mostra uma comparao da temperatura de cor correlata (TCC) de um

LED com deposio no uniforme do fsforo e outro com deposio uniforme do fsforo

[15]. Os LEDs com deposio no uniforme de fsforo apresentam uma grande variao da

temperatura de cor correlata com o ngulo de viso. Assim, diferente das lmpadas de

filamento ou de descarga, a temperatura de cor correlata de alguns LEDs pode no ser

constante, o que pode comprometer a sua utilizao em algumas aplicaes. Como

exemplo: iluminao de quadros, de esculturas e de objetos em destaque (uma camisaexposta em uma vitrine aparentaria estar manchada).

Fig. 2.11 Comparao entre a temperatura correlata de cor de dois LEDs [15].


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21

Atualmente so encontrados LEDs azuis recobertos por uma camada de mltiplos

fsforos [15] e [18]. Esta tcnica, apesar de no ser to simples quanto a do LED com

camada de fsforo amarelo, gera duas bandas alm do azul, que podem ser ajustadas para

aprimorar o ndice de reproduo de cor. Em geral, o ndice de reproduo de cor dos

LEDs com camada de fsforo amarelo em torno de 75 (Luxeon K2 produzido pela

Philips-Lumileds).

Estudos em LEDs de alto brilho, realizadas por Sheu et al. em 2003 [22], indicavam

que a variao da amplitude da corrente contnua aplicada no LED branco de alto brilho

deslocava a banda azul no espectro, o que era decorrente da elevao da temperatura na

juno. Com o aquecimento, a energia do gap reduzida e o pico da banda do azul

deslocado para um comprimento de onda maior. Em 2005 Dyble et al. [23] demonstraram,para os LEDs de potncia, que dependendo de como era obtida a variao da intensidade

luminosa do LED, por modulao da amplitude (variao da corrente contnua) ou por

modulao PWM da corrente nominal, as variaes da cromaticidade possuem

comportamento diferente.

A Fig. 2.12 mostra a mudana da cromaticidade, em um LED branco PC, com a

variao da intensidade luminosa modulando a amplitude (variao da corrente contnua).

O detalhe a direita mostra que a cromaticidade deslocada para fora das elipses deMacAdam, sendo a elipse de MacAdam uma regio onde o deslocamento da cromaticidade

imperceptvel ao olho humano. Entretanto, este deslocamento s percebvel para

variaes acima de 80% da corrente nominal do LED de potncia.

Fig. 2.12 Cromaticidade de um LED branco PC com a variao da corrente contnua [23].


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22

A Fig. 2.13 mostra o comportamento do espectro, em um LED branco PC de

potncia, com a variao da amplitude da corrente contnua. Esta figura ilustra a

contribuio relativa da emisso do fsforo. O pico com comprimento de onda em torno de

555 nm aumenta se o sistema tem a sua corrente reduzida de 100% para 3%. Isto ocorre

porque a cromaticidade deslocada para o amarelo em baixas correntes e indica que o

fsforo se torna mais eficiente. Quando a corrente reduzida, e consequentemente a

temperatura no semicondutor tambm reduzida, o pico do comprimento de onda relativo

ao azul (prximo a 460nm), medido aps passar pelo fsforo amarelo, se desloca para um

comprimento de onda maior. Segundo Dyble et al. [23], o aumento da eficincia do fsforo

ocorre devido reduo da temperatura, ou devido influncia do pico do comprimento de

onda emitido pela juno que se desloca para um comprimento de onda mais curto,causando uma elevao na eficincia de absoro do fsforo. Assim, a anlise utilizada

para os LEDs de potncia no pode ser aplicada aos LEDs de alto brilho, como analisada

por Sheu et al. em 2003 [22].

Fig. 2.13 Mudanas no espectro relativo normalizado com a variao da corrente contnua(LED branco PC de potncia) [23].

Dyble et al. utilizaram uma modulao PWM, com freqncia de 1 kHz, para

analisar o desvio da cromaticidade em funo da corrente mdia aplicada em um LED

branco PC de potncia, mostrado na Fig. 2.14. Os resultados mostraram que o

deslocamento da cromaticidade tem sentido contrrio, ao sentido de quando aplicada a

variao da amplitude na corrente contnua. Entretanto, a variao da cromaticidade

menor do que a modulao por amplitude e o ponto de cromaticidade no sai da elipse deMacAdam.


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23

Fig. 2.14 Cromaticidade de um LED branco PC com modulao PWM [23].

A mudana no espectro relativo normalizado com modulao PWM mostrada na

Fig. 2.15. Esta figura mostra que a contribuio do fsforo amarelo diminui quando a razo

cclica vai de 100% para 3%. Diferente da modulao por amplitude, a modulao PWM

possui uma amplitude constante de corrente, que geralmente possui intensidade igual

corrente nominal do LED. Como a juno do LED possui uma baixa capacidade calorfica,

a temperatura da juno sobe rapidamente, o que torna praticamente constante ocomprimento de onda emitido pela juno ao longo do tempo. Alm da juno, a pastilha

semicondutora onde o fsforo amarelo depositado tambm aquece rapidamente. Isto

explica porque a cromaticidade se desloca para o azul para baixos valores mdios de

corrente, indicando que o fsforo se torna menos eficiente.

Fig. 2.15 Mudanas no espectro relativo normalizado com modulao PWM(LED branco PC de potncia) [23].


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24

Como o desvio da cromaticidade menor quando a intensidade do LED alterada

atravs da modulao PWM, esta tcnica foi praticamente adotada como padro pela

maioria dos fabricantes de LEDs. A partir do ano de 2006, a maioria dos catlogos dos

LEDs de potncia passaram a sugerir a modulao PWM como o mtodo de se alterar a

intensidade luminosa do LED [24] e [25]. Entretanto, em algumas aplicaes em que o

deslocamento na cromaticidade no importante, a modulao por amplitude permite a

juno operar com uma temperatura reduzida, o que torna o LED mais eficiente.

Outra propriedade importante do fsforo utilizado nos LEDs brancos PC o seu

tempo de resposta. Kranicz et al. [26] analisaram o pico referente ao azul (466 nm) e o pico

referente ao amarelo (556 nm), quando aplicado um pulso de 1,5 s com uma freqncia

de repetio de 1 kHz. Foi demonstrado que o atraso entre os picos desprezvel e que o

fsforo amarelo possui um pequeno tempo de resposta. Assim, diferente do fsforo

utilizado nas lmpadas fluorescentes que no possui um pequeno tempo de resposta, a

eficincia do fsforo amarelo no aumenta com o aumento da freqncia. Desta forma, a

utilizao de reatores em alta freqncia no aprimora a eficincia dos LEDs de potncia.

Em 12 de setembro de 2007 o DOE (U. S. Department of Energy) apresentou a

verso final das exigncias do programa Energy Starpara luminrias com lmpadas de

estado slido [27]. Este um programa voluntrio americano para identificar e promoverprodutos energeticamente eficientes. Este programa j referenciava a norma ento em

desenvolvimento ANSI NEMA ANSLG C78.377 de 2008 [28], a qual especifica as

exigncias para a cromaticidade das lmpadas de estado slido. Esta norma especifica a

cromaticidade e oito quadrantes de tolerncia da temperatura de cor correlata. No Brasil

ainda no existe norma especfica, mas os componentes e os produtos importados, ou para

exportao, provavelmente devero se enquadrar nesta norma.

2.5.2. LED ultravioleta recoberto por uma camada de fsforo

Os LEDs brancos com excitao ptica do fsforo, no comprimento de onda

relativo ao ultravioleta (UV), so recobertos por um conjunto de fsforos emissores no

azul, no vermelho e no verde (RGB). Similar s lmpadas fluorescentes, o fsforo absorve

o ultravioleta e o converte em bandas nas cores primrias (RGB) obtendo a luz branca. O

ndice de reproduo de cores obtido semelhante ao apresentado por lmpadas


39/199

25

fluorescentes tubulares, por utilizar a mesma tcnica de converso de radiao ultravioleta

em luz visvel [29].

Fig. 2.16 Espectro de um LED ultravioleta combinado a um conjunto de fsforo RGB [15].

O LED branco usando um semicondutor UV de AlGaInN como emissor e fsforoRGB foi reportado por Kaufman et al. em 2001. A juno emitia no comprimento de onda

entre 380 400 nm, faixa de contorno entre o visvel e o ultravioleta. O ndice de

reproduo de cor, para este LED, foi reportado como 78 [4].

A vantagem do LED UV com fsforo RGB o seu elevado ndice de reproduo de

cor (IRC), tipicamente entre 60 a 80, com baixa dependncia da temperatura da juno.

Como a juno emite no ultravioleta, espectro no visvel, o deslocamento do pico desta

faixa do espectro no interfere no ndice de reproduo de cor. A temperatura correlata decor deste LED praticamente no influenciada pelo aquecimento da juno. Entretanto, ele

possui a desvantagem de possuir uma baixa eficincia, quando comparado com o LED

branco PC. Esta desvantagem decorre da relativa alta perda de energia, inerente da

converso da luz ultravioleta para luz branca. O ultravioleta produzido por este LED

tambm degrada o seu invlucro, tornando-o opaco com o uso, o que gradativamente reduz

a sua eficincia.

2.5.3. Combinao de LEDs de diferentes cores

A princpio, com apenas duas cores possvel obter a luz branca. A Fig. 2.17

mostra este princpio, sendo que com dois pontos, cores, do diagrama de cromaticidade foi

obtido o branco, mas com baixo IRC. Entretanto, combinando a cor vermelha, a cor verde

e a cor azul, atravs do controle de intensidade luminosa de cada um desses feixes

luminosos, possvel obter qualquer cor dentro do plano formado por estas cores. A Fig.

2.17 tambm mostra que este plano praticamente engloba os planos dos padres sRGB eNTSC [30], muito utilizados em televisores e em monitores.


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41/199

27

Segundo Ackermann et al. [31], dos Laboratrios de Pesquisa da Philips,

usualmente os efeitos da temperatura podem ser compensados com a utilizao de sensores

de fluxo ou de cor. A calibrao individual dos LEDs em diferentes temperaturas

impraticvel, pois a determinao da temperatura depende da preciso dos modelos das

caractersticas pticas dos LED. Entretanto, alguns fabricantes de controladores para LEDs

utilizam um sensor de temperatura fixado no dissipador dos LEDs e uma memria no

voltil, onde so armazenadas as curvas experimentais especficas do prottipo. Esta

soluo obriga a calibrao de cada prottipo e no considera a reduo da intensidade

luminosa com o envelhecimento dos LEDs, o que provoca um deslocamento do ponto de

cromaticidade com o tempo de uso.

O espectro da luz branca, comumente obtido atravs de trs cores bsicas (RGB) deLEDs, mostrado na Fig. 2.19. Uma anlise detalhada deste espectro mostra a existncia

de um vale prximo ao comprimento de onda de 590 nm, relativo cor mbar. Para

aplicaes em que necessrio um elevado ndice de reproduo de cor (IRC), por

exemplo, como na luz de fundo de LCDs, Lim et al. [32] adicionaram a cor mbar para

aprimorar o IRC.

Fig. 2.19 Espectro de uma luz branca obtida por um sistema RGB [15].

Para aplicaes com mistura de cores de LEDs, sensores RGB so utilizados para

monitorar a cor gerada pela combinao destas cores. Estes sensores so compostos por

trs filtros pticos (vermelho, verde e azul), sendo que cada filtro ptico montado sobre

um sensor de intensidade luminosa. Lim et al. [32] mostraram que estes sensores possuem

uma elevada largura de banda e que este tipo de sensor no possibilita o monitoramento do

deslocamento do pico do comprimento de onda. Os sensores RGB no varrem todo o

espectro e o deslocamento no pico do comprimento de onda confundido com uma

variao de intensidade, que depende da posio do pico e da curva de resposta do sensor.

Assim, mesmo utilizando sensores RGB, a modulao PWM geralmente utilizada neste

tipo de aplicao, pois estabiliza a temperatura da juno e torna a intensidade luminosados LEDs praticamente linear com a variao da razo cclica da modulao PWM. Este


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28

tipo de modulao facilita a estabilizao da cor desejada, o que simplifica o seu controle.

A Fig. 2.20 mostra o espectro de quatro LEDs com cores distintas e a curva de resposta de

um sensor RGB.

Fig. 2.20 Curva de resposta de um sensor RGB.

A Fig. 2.21 mostra o comportamento da cromaticidade em funo do tipo de

modulao utilizada [23]. Para o branco obtido com LEDs RGB, a modulao PWM no

afasta os pontos de cromaticidade da curva que define a radiao emitida pelo corpo negro

(Planckian Locus) e que determina as linhas isotrmicas da temperatura correlata de cor.

Este experimento considerou a temperatura da estrutura para dissipao da pastilha

semicondutora do LED (chamada de slug), com uma temperatura de 25 C, sendo

considerado apenas o efeito do gradiente de temperatura entre o sluge a juno do LED.

Em outras palavras, a juno do LED aquece rapidamente, enquanto a estrutura de

dissipao do LED possui uma inrcia trmica, o que explica porque a modulao PWM

estabiliza a cromaticidade.

Fig. 2.21 Comportamento da cromaticidade em funo do tipo modulao [23].


43/199

29

Ainda no se conhece um mtodo de se fazer LEDs verdes mais eficientes.

Comparando com o LED vermelho, a relao do nmero de LEDs vermelhos para verdes

de 6 para 8. Considerando-se a tecnologia disponvel no ano de 2004 a eficincia de um

sistema RGB projetado, mas no demonstrado, seria de 200 lm/W [33]. Sabendo disso a

Philips, em parceria com o Departamento de Energia norte americano, props o

desenvolvimento de um sistema modular eficiente para aplicaes de iluminao geral.

Este sistema RGB consiste em LEDs controlados para possibilitar o ajuste de cor, agregado

a um sistema de realimentao (sensor RGB) para sua estabilizao [34].

Atualmente j so encontrados LEDs com trs pastilhas semicondutoras em um

mesmo encapsulamento. Estes LEDs RGB no necessitam de ptica complementar para

realizar a mistura das cores, sendo utilizados em painis eletrnicos com elevada resoluoe definio de cor.

2.6.Representao matemtica das caractersticas do LED

2.6.1. Modelo eltrico simplificado

A relao entre a corrente direta e a tenso direta em uma juno p-n de um diodo

pode ser expressa matematicamente pela equao 2.1.

exp 1FF O

q VI I

n k T

= (2.1)

Onde:

VF - Tenso direta do diodo (V).n - Fator de idealidade.k - Constante de Boltzmann, 1,3805 x 10-23(J/K).T - Temperatura em Kelvin (K).q - Carga do eltron, 1,602 x 10-19Coulomb (C).IF - Corrente direta do diodo (A).Io - Corrente de saturao reversa do diodo (A).

Para um diodo perfeito, o fator de idealidade tem o valor unitrio (n = 1). Para

diodos reais o fator de idealidade assume valores tpicos entre 1,1 e 1,5. Contudo, valores

maiores (n= 2) podem ser obtidos em diodos com compostos a base de P (fsforo) e com

compostos de As (arsnio com o grupo III-V). Elevados valores, da ordem de n= 6, podem

ser encontrados em diodos de GaN/GaInN [4].

Reescrevendo a equao (2.1), a tenso direta obtida atravs da equao (2.2).


44/199

30

ln F OFO

I In k TV

q I

+ =

(2.2)

Em geral, a corrente aplicada muito maior que a corrente de saturao. SeI

F>>I

oa equao (2.2) pode ser simplificada resultando na equao (2.3).

ln FFO

n k T I V

q I

=

(2.3)

Entretanto, a curva I-V de um LED no pode ser expressa simplesmente com a

equao (2.3). Pois, diferente dos diodos retificadores, os LEDs possuem elevadas perdas

hmicas com a injeo de corrente na juno p-n. Estas perdas so eletricamente

representadas como resistncias parasitas, as quais podem estar em srie ou/e em paralelo.Os efeitos destas resistncias, comparando com um diodo de GaAs, so mostrados na Fig.

2.22. A resistncia parasita em paralelo gera uma inclinao na curva I-V em tenses

abaixo da tenso de corte (1,2 V) e, por geralmente possuir um valor elevado, pouco

influencia na inclinao da curva acima da tenso de corte. J a resistncia srie parasita

responsvel pela inclinao da curva em tenses acima da tenso de corte, tendo grande

efeito quando aplicados os valores nominais de corrente do componente.

Fig. 2.22 Efeitos da resistncia srie e paralelo em um diodo de GaAs [4].

Um diodo genrico com perdas hmicas, incluindo os LEDs, pode ser modelado

por uma juno p-n, uma resistncia srie parasita RSe, para um modelo mais completo,

duas resistncias parasitas paralelas, RP1eRP2. RP1 a resistncia paralela juno p-n e

RP2a resistncia paralela perifrica [35] e [36]. A Fig. 2.23 mostra o modelo eltrico do

diodo com as perdas hmicas.


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31

Fig. 2.23 Modelo eltrico do diodo com perdas hmicas.

O modelo eltrico do diodo com perdas hmicas pode ser expresso

matematicamente pela equao (2.4).

2 1

1 2

1 1

exp 1

S SF F s F

P PF F SF O

P P

R Rq V q I R V

R RV I RI I

n k T R R

+ + = + +

(2.4)

Usualmente somenteRP1 considerada como uma resistncia paralela equivalente.

Esta resistncia paralela pode ser ocasionada por um canal de desvio na juno p-n. Este

desvio pode ser causado por regies danificadas na juno p-n ou por imperfeies na

superfcie [4].

A Fig. 2.24 mostra uma curva I-V experimental em um LED branco de 3 W,

modelo Luxeon III Emitter LXHL-PW09 fabricado pela Philips-Lumileds, em uma

temperatura de 40 C. A curva mostra que, para este LED de potncia, a corrente

praticamente nula para tenses inferiores tenso de corte, que neste caso 2,6 V. Por este

motivo, a resistncia paralela pode ser considerada muito elevada e pode ser

desconsiderada do modelo eltrico deste componente [37]. Entretanto, a resistncia srie,

RS, causa uma inclinao na curva e a principal responsvel pelas perdas hmicas.

Fig. 2.24 Curva I-V experimental de um LED LXHL-PW09 @40 C.


46/199

32

O ensaio apresentado na Fig. 2.24 de um LED de potncia com poucas horas de

uso. Quando o LED passa por stress trmico ou eltrico podem aparecer regies

danificadas na juno, o que resulta no aumento da influncia da resistncia em paralelo na

curvaI-V.

Considerando apenas a influncia da resistncia srie, a equao (2.4) pode ser

simplificada na equao (2.5).

exp 1F F sF Oq V q I R

I In k T

= (2.5)

Reescrevendo a equao (2.5) para obter o valor da tenso direta, VF, a equao

(2.6) obtida.

ln F OF S FO

I In k TV R I

q I

+ = +

(2.6)

Entretanto, como geralmente a corrente,IF, aplicada no LED da ordem de dezenas

ou centenas de miliamperes, a corrente de saturao reversa pode ser considerada muito

menor do que a corrente direta. Assim, considerando IF >> Io as equaes (2.5) e (2.6)

podem ser simplificadas em (2.7) e (2.8), respectivamente.

exp F F sF Oq V q I R

I I n k T

= (2.7)

ln FF S FO

In k TV R I

q I

= +

(2.8)

Comparando a equao (2.8) com a equao (2.3), o modelo eltrico do LED pode

ser representado por um diodo em srie com um resistor, mostrado na Fig. 2.25.

Fig. 2.25 Modelo eltrico do LED.

A equao (2.9) obtida derivando a equao (2.8) em funo deIF.

1FS

F F

V n k T R

I q I

= +

(2.9)

Testes realizados, com vrios LEDs de potncia, demonstram que a resistncia srie

da ordem 0,8 1,0 , que um valor bastante elevado. Assim, para uma corrente

prxima a corrente nominal, a expresso matemtica (2.10) pode ser adotada.


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33

1S

F

n k TR

q I

(2.10)

A partir da expresso (2.10) a equao (2.9) pode ser simplificada obtendo-se a

equao (2.11). Sendo vlida para correntes prximas a corrente nominal do LED.

FS

F

VR

I

(2.11)

Para uma temperatura constante e corrente prxima a nominal, a inclinao da

curva praticamente dependente somente de RS. Assim, a equao (2.8) pode ser

aproximada pela equao (2.12), onde Vo uma tenso praticamente constante para uma

temperatura constante.

F o S FV V R I = + (2.12)

Interpretando a equao (2.12), para uma temperatura constante e corrente prxima

nominal, o modelo eltrico do LED pode ser simplificado, conforme mostrado na Fig.

2.26.

Fig. 2.26 Modelo eltrico simplificado do LED.

Para utilizao do modelo eltrico simplificado em um simulador do tipo SPICE

(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Programa de Simulao com

nfase em Circuitos Integrados), um diodo schottky pode ser utilizado no lugar do diodo

ideal, por ter uma baixa tenso direta [38]. Entretanto, a tenso direta do schottky deve ser

subtrada da tenso Vo. A Fig. 2.27 mostra o circuito eltrico utilizando um diodo MBR120

no OrCAd. O diodo MBR120 possui uma tenso de polarizao de 0,42 V.

Fig. 2.27 Modelo eltrico de um LED utilizando um diodo MBR120 no lugar do diodo ideal.

2.6.2.Extrao dos parmetros do modelo eltrico simplificado

Para extrao dos parmetros do modelo eltrico simplificado necessrio seguir

os seguintes passos:


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34

Obter experimentalmente a curvaI-Vpara a temperatura de operao desejada. Para

obteno de medidas coerentes necessrio que as medidas sejam efetuadas em um

curto intervalo de tempo, da ordem de segundos, para que a temperatura da juno

no sofra grandes variaes;

Isolar os valores obtidos para correntes prximas s nominais;

Realizar uma regresso linear para VF(IF). O coeficiente angular obtido RS e o

coeficiente linear Vo.

Para um LED branco de 5 W LXHL-PW03 @ 25 C fabricado pela Philips-

Lumileds, mostrado na Fig. 2.28, a sua curva experimental da corrente em funo da

tenso direta apresentada na Fig. 2.29.

Fig. 2.28 Foto do LED branco de 5W LXHL-PW03 fabricado pela Philips-Lumileds.

Fig. 2.29 Curva I-V de um LED LXHL-PW03 @ 25 C.

Efetuando uma regresso linear para a curva V-I, para uma corrente de operao

entre 200 a 700 mA, foi obtido um coeficiente angular de 0,98 e um coeficiente linear de6,16 V. A Fig. 2.30 mostra os pontos experimentais e a reta gerada pela regresso linear.


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35

Fig. 2.30 Regresso linear para os pontos entre o intervalo de 200 a 700 mA.

Aplicando os valores da regresso linear no modelo simplificado obtido o modelo

eltrico mostrado na Fig. 2.31.

Fig. 2.31 Modelo eltrico simplificado para o LED LXHL-PW03 @ 25 C utilizando diodo ideal.

Substituindo o diodo ideal por um diodo Schottky MBR120, com tenso de

polarizao de 0,42 V, obtido o modelo da Fig. 2.32.

Fig. 2.32 - Modelo eltrico simplificado para o LED LXHL-PW03 @ 25 C utilizando diodo MBR120.

Para a simulao no ORCAD e obteno dos resultados experimentais foi utilizado

o circuito mostrado na Fig. 2.33. Este circuito consiste em um conversor buck modificado

sem capacitor de sada. Para o controle foi utilizado o circuito integrado UC3845, o qual

consiste em um controlador PWM em modo corrente com freqncia fixa. Este integrado

possui tenso de referncia com compensao de temperatura, comparador para sensor de

corrente e sua sada pode ser conectada diretamente no MOSFET. O circuito foi projetado

para operar em uma freqncia de 85 kHz e uma baixa indutncia foi intencionalmente

utilizada para permitir uma elevada ondulao na corrente, o que permitiu a anlise e

validao do modelo eltrico [38].

Os LEDs foram representados por dois vetores em paralelo, sendo cada vetor

formado por trs LEDs em srie. O valor de VD3 foi alterado para 5,04 V para representara diferena da tenso direta encontrada experimentalmente entre os vetores de LEDs


50/199

36

utilizados. Esta diferena de tenso provoca um desbalanceamento de corrente entre os

vetores, o que foi resolvido com a utilizao de resistores em srie (RE1 e RE2).

Comercialmente, os resistores em srie so bastante utilizados para promover a

equalizao de corrente [39], [40] e [41]. Entretanto, estes resistores ocasionam perdas, o

que reduz a eficincia do circuito.

Fig. 2.33 Circuito utilizado para simulao e obteno dos resultados experimentais.

Para verificar o modelo proposto foi utilizado um indutor que permitiu uma

variao de corrente de 30% da corrente nominal (700 mA). Entretanto, em aplicaes

comerciais, a ondulao de corrente deve ser bastante reduzida para evitar variaes na

cromaticidade. A Fig. 2.34 mostra a ondulao de corrente no indutor obtida por

simulao.

Fig. 2.34 Ondulao de corrente no indutor do conversor buck obtida por simulao.


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37

As correntes nos vetores de LEDs, obtidas por simulao com VD3 = 5,04 V e com

os resistores de equalizao, so mostradas na Fig. 2.35.

Fig. 2.35 Corrente nos vetores de LEDs com os resistores de equalizao.

A Fig. 2.36 mostra as correntes nos vetores de LEDs, obtidas por simulao com

VD3= 5,04 V e sem os resistores de equalizao.

Fig. 2.36 - Corrente nos vetores de LEDs sem os resistores de equalizao.

A tenso direta em um dos LEDs, modelado por RD6, DD6 e VD6, mostrada na

Fig. 2.37.

Fig. 2.37 Tenso no LED modelado por RD6, DD6 e VD6.


52/199

38

A corrente no indutor obtida experimentalmente mostrada na Fig. 2.38. possvel

notar uma similaridade com o resultado de simulao, mostrado na Fig. 2.34.

Fig. 2.38 Corrente no indutor do conversor buck no experimento.(Base de tempo: 4s/div., Ch1: 200mA/div.)

A Fig. 2.39 mostra as correntes, obtidas experimentalmente, nos vetores de LEDs

com os resistores de equalizao. Confrontando com os resultados de simulao,

mostrados na Fig. 2.35, com os resultados experimentais possvel observar uma

similaridade nas formas de onda.

Fig. 2.39 Correntes nos vetores de LEDs com os resistores de equalizao no experimento.(Base de tempo: 2s/div., Ch1 e Ch2: 100mA/div.)

A Fig. 2.40 mostra as correntes, obtidas experimentalmente, nos vetores de LEDs

sem os resistores de equalizao. O desbalanceamento de corrente entre os vetores de

LEDs obtido por simulao, mostrado na Fig. 2.36, tambm foi observado

experimentalmente.


53/199

39

Fig. 2.40 Corrente nos vetores de LEDs sem os resistores de equalizao no experimento.

(Base de tempo: 2s/div., Ch1 e Ch2: 100mA/div.)

A Fig. 2.41 mostra a tenso em um dos LEDs obtida experimentalmente. Neste

caso tambm possvel observar a semelhana com os resultados de simulao mostrados

na Fig. 2.37. A comparao entre os resultados de simulao e os resultados experimentais

validam o modelo eltrico simplificado para os LEDs.

Fig. 2.41 Tenso em um dos LEDs no experimento.

(Base de tempo: 10s/div., Ch1: 1V/div.)

2.6.3.Influncia da temperatura na curva I-Vdo LED

Os catlogos fornecidos pelos fabricantes de LEDs mostram que a tenso direta cai

com o aumento da temperatura, mas este comportamento raramente expresso

matematicamente ou descrito fisicamente na literatura. Em geral, as caractersticas eltricas

dos LEDs so analisadas quando o sistema est em regime trmico.

Quando o modelo simplificado, decorrente da equao (2.6), utilizado para

expressar o comportamento da tenso direta do LED com o aumento da temperatura, um


54/199

40

comportamento inconsistente com a realidade observado. Segundo a equao (2.6), a

tenso no LED deveria aumentar com o aumento da temperatura, o que ocorre de forma

contrria com a realidade. Em geral, a resistncia srie intrnseca sofre pouca variao com

a variao da temperatura da juno do semicondutor, o que ser demonstrado

experimentalmente ao longo deste captulo.

O parmetro que normalmente no considerado e que explica a reduo da tenso

direta do LED com o aumento da temperatura da juno, a energia do gap do

semicondutor, Eg. Considerando o efeito da temperatura na energia do gap do

semicondutor,Eg(T), a equao no simplificada do diodo com perdas hmicas (2.5) deve

ser reescrita na equao (2.13).

( )exp 1F F s gF O

q V q I R E T I I

n k T

=

(2.13)

Todavia, necessrio um extremo cuidado na utilizao da equao (2.13), pois

alguns simuladores que extraem os parmetros de diodos, como o mdulo Model Editor do

programa Orcad, incorporam a energia do gapno fator de idealidade. Assim, o fator de

idealidade utilizado pelos simuladores pode no coincidir com o utilizado na equao

(2.13).

A energia do gapdo semicondutor, Eg, decresce com o aumento da temperatura.

Esta dependncia da energia do gapdo semicondutor com a temperatura expressa pela

equao (2.14).

( )2

0 Kg g T

TE T E

T

=

= +

(2.14)

Os valores de e para alguns semicondutores so mostrados na tabela 2.1.

Tabela 2.1 Valores de , e Egpara algun

Tese Edilson Mineiro LEDs

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