A partir da década de 1960, os diodos emissores de luz (LEDs) foram utilizados em aplicações de baixa potência, como luzes indicadoras e telas de relógios. Inicialmente disponíveis apenas em vermelho e verde, eles não tinham a capacidade de emitir uma quantidade suficiente do espectro de luz para substituir as lâmpadas incandescentes. No entanto, avanços no crescimento epitaxial e na dopagem de GaN possibilitaram o primeiro LED azul brilhante em 1993. Esses novos LEDs usavam um revestimento de fósforo para converter os comprimentos de onda azuis em um espectro mais amplo de comprimentos de onda que parecem brancos aos nossos olhos. Com a capacidade de emitir luz branca brilhante, os LEDs tornaram-se uma substituição viável para a iluminação incandescente tradicional em quase todas as aplicações, desde luzes domésticas e portáteis até postes de luz e iluminação industrial.
As primeiras luminárias LED comercialmente disponíveis no início dos anos 2000 eram mais caras do que as luminárias convencionais, refletindo os investimentos significativos em pesquisa e desenvolvimento recentes que haviam sido feitos. Mas, à medida que as técnicas de fabricação de LEDs se escalavam e melhoravam, os LEDs se tornaram agora um dos itens de menor custo e maior durabilidade na lista de materiais. As melhorias de preço e desempenho são, em grande parte, devidas aos avanços na fabricação dos semicondutores que alimentam os LEDs, particularmente o GaN nos LEDs azuis.
Com os LEDs se tornando mais avançados e prevalentes em nosso mundo, este artigo analisa mais de perto o que torna essa tecnologia tão impressionante e destaca alguns dos produtos LED mais recentes.
Especificações dos LEDs
Compreender as especificações dos LEDs é fundamental para encontrar a solução certa para a sua aplicação. Alguém que esteja projetando iluminação para um escritório pode estar principalmente preocupado com a eficiência energética, enquanto alguém que projeta um dispositivo de iluminação com mudança de cor vai querer garantir que os LEDs possam reproduzir as cores com precisão.
Abaixo estão algumas das principais especificações para LEDs.
Eficiência e Eficácia Luminosa
Eficiência e eficácia são termos frequentemente usados de forma intercambiável. Embora estejam relacionados, têm significados ligeiramente diferentes. Eficácia quantifica a quantidade de luz gerada por watt, enquanto eficiência fornece uma relação relativa de desempenho.
A eficácia luminosa, expressa em lumens por watt (lm/W), mede a quantidade de luz visível produzida por um dispositivo em relação à potência elétrica.
A eficiência luminosa, expressa em porcentagem, compara a eficácia do dispositivo com a eficácia ideal teórica para esse dispositivo. Por exemplo, se um LED tem uma eficácia de 172 lm/W, podemos compará-lo a um ideal teórico conhecido de 683 lm/W. Assim, 172 lm/W sobre 683 lm/W dá uma eficiência de cerca de 25%. O valor de 683 lm/W usado aqui é para uma fonte de luz verde ideal a 555 nm – o comprimento de onda ao qual o olho humano é mais sensível. Os cálculos de eficiência podem ser ajustados dependendo da fonte de luz; faz mais sentido comparar um LED branco a um LED branco ideal do que compará-lo a um LED verde.
Lumens
Os lumens medem o fluxo luminoso, ou a saída total de um emissor de luz. Em termos simples, uma fonte de luz com mais lumens emite mais luz. Os lumens ajudam a quantificar o quão brilhante é uma fonte de luz, mas o desempenho no mundo real será determinado pela luminária ou pela montagem na qual o emissor está embutido. Um farol de carro foca a luz em um feixe voltado para a frente, enquanto a iluminação interna espalha a luz por todo o ambiente. Em ambos os casos, parte do fluxo luminoso do emissor de luz será perdida dentro da luminária à medida que a luz se reflete antes de escapar pela lente. Portanto, compreender outras especificações, como lux e candelas, proporciona uma perspectiva mais abrangente do desempenho de um dispositivo.
Lux
O lux mede a quantidade de luz que atinge uma superfície, expressa em lumens por metro quadrado. Compreender sua meta de lux para uma determinada área pode ajudar a calcular a quantidade de lumens necessária para o seu espaço. A quantidade de luz necessária para aplicações comerciais, como armazéns ou outros locais de trabalho, é frequentemente definida em termos de lux. Agências governamentais como a OSHA geralmente estabelecem esses padrões para garantir segurança e funcionalidade. Escritórios ou salas de aula típicos variam entre 300–1000 lux, com locais de trabalho de precisão e laboratórios situados na extremidade superior da faixa, enquanto armazéns podem ter apenas 50 lux. Para referência, a luz solar plena pode chegar a mais de 100.000 lux. À medida que a área que você está iluminando aumenta, a quantidade de lumens necessária para manter sua meta de lux também aumenta.
Candelas
A candela (cd) mede a intensidade luminosa, que é o fluxo luminoso em uma determinada direção. As candelas quantificam a quantidade de fluxo luminoso em uma área definida por um cone sólido originado na fonte de luz. Para converter lumens em candela, precisamos dividir a intensidade total da luz pela amplitude angular da fonte em esterradianos, uma unidade de medida de ângulo no espaço 3D. Para uma esfera completa (sem direção), a amplitude angular é 4pi e, portanto, uma candela equivale a 12,57 lumens de uma fonte de luz omnidirecional. Como o nome sugere, uma candela é a intensidade luminosa equivalente a uma vela. Uma fonte de luz ideal emite luz em todas as direções, mas muitas vezes não precisamos de luz em todas as direções. As candelas são especialmente importantes em aplicações de iluminação direcional, como holofotes ou faróis automotivos, e geralmente são medidas após um LED ter sido instalado em um dispositivo final com óticas associadas. A medição de candela nos permite quantificar a quantidade de luz no espaço onde ela é necessária.
Índice de Reprodução de Cores (CRI)
O Índice de Reprodução de Cores (CRI) compara como uma fonte de luz mostra as cores dos objetos em relação à iluminação natural do sol. O CRI é uma escala que vai de 0 a 100, sendo 100 o ideal, que representa a luz solar. A luz solar contém o espectro completo de luz, o que permite que os objetos iluminados reflitam suas cores de maneira precisa. Se uma fonte de luz não contém a totalidade do espectro de luz, os objetos iluminados por essa fonte podem parecer opacos ou desbotados se suas cores não forem bem iluminadas.
Atingir um CRI ideal em LEDs exige engenharia de precisão, portanto, os projetistas devem considerar o nível de CRI necessário para sua aplicação. Um CRI de 70 a 80 é adequado para iluminação externa de alta potência. Para iluminação interna, um CRI acima de 80 é considerado bom, com muitas lâmpadas de uso geral oferecendo um CRI de pelo menos 90. Aplicações onde a cor é crítica, como galerias de arte e lojas de alto padrão, utilizam LEDs avançados com um CRI de 98.
Temperatura de Cor Correlacionada (CCT)
A Temperatura de Cor Correlacionada (CCT), medida em Kelvin (K), especifica a temperatura de cor de uma fonte de luz em uma escala que vai de 1000K (luz de vela) a 10.000K (céu azul). Fontes de luz na extremidade inferior da escala (<3000K) têm um tom mais quente e um brilho mais suave. Essas luzes são ideais para uso interno em casas ou em lugares como restaurantes, onde seu brilho mais quente é confortável e relaxante. Brancos neutros em torno de 3500K-4000K simulam a luz do dia e funcionam bem em escritórios e espaços de varejo. Brancos brilhantes, com 5000K a 5700K, simulam a luz solar direta e proporcionam uma iluminação brilhante e nítida, ideal para arenas esportivas, locais de trabalho de precisão e armazéns. Brancos frios a 6000K e acima são usados em aplicações agrícolas internas.
Durabilidade
A gestão térmica é um fator crucial que os projetistas devem considerar ao utilizar LEDs de alta potência. Metade ou mais da corrente consumida é convertida em calor, que deve ser removido para garantir a longevidade do LED.
Picos de tensão e corrente também diminuem a vida útil dos LEDs, por isso os projetistas devem empregar técnicas e dispositivos de supressão de transientes na placa do driver do LED para bloquear picos de tensão e corrente que podem ser prejudiciais. Além disso, a corrente de condução precisa ser controlada com precisão. Sobrecarregar o LED pode gerar mais calor do que o design térmico pode suportar, portanto, é necessário ter cuidado ao projetar a placa do driver do LED.
O ambiente operacional também precisa ser considerado. Os LEDs são utilizados em ambientes internos e externos. Ambientes severos exigem designs especializados, e a temperatura e umidade do ambiente operacional podem afetar o desempenho e a durabilidade dos LEDs.
Se não forem sobrecarregados, a vida útil dos LEDs é muito maior do que a das lâmpadas incandescentes. Uma lâmpada incandescente típica dura cerca de 1000 a 1500 horas, enquanto os LEDs são classificados para mais de 50.000 horas. Novamente, a expectativa de vida será significativamente influenciada por quão bem a placa do driver está projetada para suprimir picos e surtos, quão eficazes são os dissipadores de calor em remover o calor do componente LED e fatores ambientais como a temperatura ambiente.
Desempenho Excepcional com LEDs Cree XLamp® XP-G4
Diante dos inúmeros desafios de design para LEDs, o LED Cree XLamp® XP-G estabeleceu um novo padrão de desempenho inovador em 2009, produzindo até 400 lumens a 1 Amp. Esse nível de brilho e eficiência abriu grandes áreas de aplicações de iluminação, como iluminação doméstica, iluminação de trilhos, iluminação comercial geral e alguns downlights embutidos, com requisitos mínimos de calor e energia.
O LED XLamp® XP-G2 logo seguiu com uma saída de lúmens 20% maior, seguido pelo LED XP-G3 em 2016, com 31% mais lúmens a 8% mais watts. As eficiências mais altas significavam mais luz com menos energia e calor. Essa maior intensidade torna essas luzes adequadas para aplicações médicas que precisam de luz focalizada em alta intensidade sem muito calor. Aplicações de fototerapia biomédica também podem se beneficiar dessa intensidade compacta. Em uma escala maior, postes de rua poderiam substituir lâmpadas halógenas ou preenchidas com gás por equivalentes em LED. A iluminação de palco e os holofotes poderiam operar com menos calor e consumo de energia. A melhoria na durabilidade e confiabilidade proporcionou um desempenho duradouro para os usuários finais. O substrato cerâmico e a embalagem com dissipador de calor tornaram mais fácil para os engenheiros projetarem e gerenciarem termicamente.
A linha mais nova e moderna da família, os LEDs XLamp® XP-G4 (Figura 1), continua a ultrapassar os limites de desempenho e eficiência com 75% mais lúmens do que os LEDs XP-G2 e uma resistência térmica ainda menor que permite a dissipação mais rápida do calor. O desempenho térmico superior suporta uma corrente nominal de 3A, em comparação com 1,5A para o XP-G2. A capacidade de utilizar mais corrente de forma segura e eficiente permite que os projetistas otimizem para aplicações exigentes, como iluminação para esportes.
Os LEDs XLamp XP-G4 emitem luz em um cone mais estreito e uniforme, oferecendo desempenho excepcional para iluminação direcional. Uma superfície de emissão de luz (LES) bem definida permite configurar suas ópticas para aproveitar ao máximo a luz proveniente do LED, reduzindo a perda de lúmens. Com uma ampla variedade de opções de CRI de até 90, o XP-G4 é adequado para uma vasta gama de aplicações, desde iluminação portátil e interna até iluminação de estádios.
A indústria agrícola pode se beneficiar da capacidade de ajustar com precisão as cores da luz para criar sistemas de iluminação para cultivo de alta potência com cores direcionadas em intensidades mais altas, utilizando menos energia e gerando menos calor. Sistemas de iluminação específicos otimizados para plantas e cultivos específicas podem ser desenvolvidos. A tecnologia avançada de dissipadores de calor e o espectro ajustável proporcionam uma atualização flexível em relação às lâmpadas de cultivo antigas.
Ao usar o mesmo pacote em toda a série XP-G, a Cree LED ofereceu um caminho de migração simples para os engenheiros aumentarem as capacidades dos produtos existentes e usá-los em novas aplicações com brilho ou características espectrais aprimoradas. Alternativamente, os engenheiros podem simplesmente utilizar os LEDs mais recentes para tornar os luminários atuais mais frios com os níveis de brilho existentes, aumentando assim a confiabilidade geral e a expectativa de vida.
Conclusão
Os LEDs evoluíram muito desde seu humilde começo como luzes indicadoras e displays de calculadoras. Com a capacidade de produzir luz extremamente brilhante em uma ampla variedade de cores, os LEDs são uma opção confiável e eficiente em termos de energia para quase qualquer aplicação de iluminação. A expertise da Cree LED em LEDs oferece tecnologia de iluminação de ponta, além do conhecimento de como integrá-la da melhor forma em sua aplicação e reduzir o tempo de desenvolvimento do seu projeto.
Artigo publicado por Jon Gabay no blog da Mouser Electronics: LEDs and the Road to a Brighter FutureTraduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
