Como utilizamos o LED emissor de luz para a sinalização da distância colocamos a definição do diodo emissor de luz e suas características.
O diodo emissor de luz também é conhecido pela sigla em inglês LED (Light Emitting Diode). Sua funcionalidade básica é a emissão de luz em locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma lâmpada. Especialmente utilizado em produtos de microeletrônica como sinalizador de avisos, também pode ser encontrado em tamanho maior, como em alguns modelos de semáforos. Também é muito utilizado em painéis de led, cortinas de led e pistas de led.
Características
LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando é energizado emite luz visível por isso LED (Diodo Emissor de Luz). A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do electrão (português europeu)/elétron (português brasileiro). O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado eletroluminescência.
Em qualquer
junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção,
ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a
energia possuída pelos elétrons seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz .
No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, entre outros componentes eletrônicos, a maior
parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz
emitida (devido a opacidade do material), e os componentes que trabalham com
maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor
(dissipadores) para ajudar na manutenção dessa temperatura em um patamar
tolerável.
Já em outros materiais, como o arsenieto de gálio (GaAs)
ou o fosfeto de gálio (GaP), o número de fotons de luz emitido é suficiente
para constituir fontes de luz bastante eficientes.
A forma simplificada de uma junção P-N de um led
demonstra seu processo de eletroluminescência. O material dopante de uma área
do semicondutor contém átomos com um elétron a menos na banda de valência em
relação ao material semicondutor. Na ligação, os íons desse
material dopante (íons "aceitadores") removem elétrons de valência do
semicondutor, deixando "lacunas" (ou buracos), portanto, o
semicondutor torna-se do tipo P. Na outra área do semicondutor, o material
dopante contém átomos com um elétron a mais do que o semicondutor puro em sua
faixa de valência. Portanto, na ligação esse elétron fica disponível sob a
forma de elétron livre, formando o semicondutor do tipo N.
Os semicondutores também podem ser do tipo compensados,
isto é, possuem ambos os dopantes (P e N). Neste caso, o dopante em maior
concentração determinará a que tipo pertence o semicondutor. Por exemplo, se
existem mais dopantes que levariam ao P do que do tipo N, o semicondutor será
do tipo P. Isso implicará, contudo, na redução da Mobilidade dos Portadores.
A Mobilidade dos Portadores é a facilidade com que cargas
n e p (elétrons e buracos) atravessam a estrutura cristalina do material sem
colidir com a vibração da estrutura. Quanto maior a mobilidade dos portadores,
menor será a perda de energia, portanto mais baixa será a resistividade.
Na região de contato das áreas, elétrons e lacunas se
recombinam, criando uma fina camada praticamente isenta de portadores de carga,
a chamada barreira de potencial, onde temos apenas os íons "doadores"
da região N e os íons "aceitadores" da região P, que por não
apresentarem portadores de carga "isolam" as demais lacunas do
material P dos outros elétrons livres do material N.
Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a
barreira de potencial mediante a aplicação de energia externa (polarização
direta da junção). Aqui é preciso ressaltar um fato físico do semicondutor:
nesses materiais, os elétrons só podem assumir determinados níveis de energia
(níveis discretos), sendo as bandas de valência e de condução as de maiores
níveis energéticos para os elétrons ocuparem.
A região compreendida entre o topo da de valência e a
parte inferior da de condução é a chamada "banda proibida". Se o
material semicondutor for puro, não terá elétrons nessa banda (daí ser chamada
"proibida"). A recombinação entre elétrons e lacunas, que ocorre
depois de vencida a barreira de potencial, pode acontecer na banda de valência
ou na proibida. A possibilidade dessa recombinação ocorrer na banda proibida se
deve à criação de estados eletrônicos de energia nessa área pela introdução de
outras impurezas no material.
Como a recombinação ocorre mais facilmente no nível
de energia mais próximo da banda de condução, pode-se
escolher adequadamente as impurezas para a confecção dos LEDs, de modo a
exibirem bandas adequadas para a emissão da cor de luz desejada (comprimento de
onda específico).
Funcionamento
A luz emitida não é monocromática, mas a banda colorida é
relativamente estreita. A cor, portanto, dependente do cristal e da impureza de
dopagem com que o componente é fabricado. O led que utiliza o arsenieto de gálio emite
radiações infravermelhas. Dopando-se com fósforo, a
emissão pode ser vermelha ou amarela, de acordo com a concentração.
Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio, a luz emitida
pode ser verde ou amarela. Hoje em dia, com o uso de outros materiais, consegue-se
fabricar leds que emitem luz azul, violeta e até ultravioleta. Existem também
os leds brancos, mas esses são geralmente leds emissores de cor azul,
revestidos com uma camada de fósforo do mesmo tipo usado nas lâmpadas
fluorescentes, que absorve a luz azul e emite a luz branca. Com o barateamento
do preço, seu alto rendimento e sua grande durabilidade, esses leds tornam-se
ótimos substitutos para as lâmpadas comuns, e devem substituí-las a médio ou
longo prazo. Existem também os leds brancos chamados RGB (mais caros), e que
são formados por três "chips", um vermelho (R de red), um verde (G de
green) e um azul (B de blue). Uma variação dos leds RGB são leds com um
microcontrolador integrado, o que permite que se obtenha um verdadeiro show de
luzes utilizando apenas um led.
Encontra-se
o aspecto físico de alguns leds e o seu símbolo elétrico.
Em geral,
os leds operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os
circuitos de estado sólido. É interessante notar que a tensão é dependente do
comprimento da onda emitida. Assim, os leds infravermelhos geralmente funcionam
com menos de 1,5V, os vermelhos com 1,7V, os amarelos com 1,7V ou 2.0V, os
verdes entre 2.0V e 3.0V, enquanto os leds azuis, violeta e ultravioleta
geralmente precisam de mais de 3V. A potência necessária está na faixa típica
de 10 a 150 mW, com um tempo de vida útil de 100.000 ou mais horas.
Como o
led é um dispositivo de junção P-N, sua característica de polarização direta é
semelhante à de um diodo semicondutor.
Sendo
polarizado, a maioria dos fabricantes adota um "código" de
identificação para a determinação externa dos terminais A (anodo) e K (catodo)
dos leds.
Nos leds
redondos, duas codificações são comuns: identifica-se o terminal K como sendo
aquele junto a um pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invólucro
("corpo"), ou por ser o terminal mais curto dos dois. Existem
fabricantes que adotam simultaneamente as duas formas de identificação.
Nos leds
retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K com um pequeno
"alargamento" do terminal junto à base do componente, ou então deixam
esse terminal mais curto.
Mas, pode
acontecer do componente não trazer qualquer referência externa de identificação
dos terminais. Nesse caso, se o invólucro
for semi-transparente, pode-se identificar o catodo (K) como sendo o terminal
que contém o eletrodo interno mais largo do que o eletrodo do outro terminal
(anodo). Além de mais largo, às vezes o catodo é mais baixo do que o anodo.
Os diodos emissores de luz são empregados também na
construção dos displays alfa-numéricos.
Há também
leds bi-colores, que são constituídos por duas junções de materiais diferentes
em um mesmo invólucro, de modo que uma inversão na polarização muda a cor da
luz emitida de verde para vermelho, e vice-versa. Existem ainda leds bicolores
com três terminais, sendo um para acionar a junção dopada com material para
produzir luz verde, outro para acionar a junção dopada com material para gerar
a luz vermelha, e o terceiro comum às duas junções. O terminal comum pode
corresponder à interligação dos anodos das junções (leds bicolores em anodo
comum) ou dos seus catodos (leds bi-colores em catodo comum).
Embora
normalmente seja tratado por led bicolor (vermelho+verde), esse tipo de led é
na realidade um "tricolor", já que além das duas cores independentes,
cada qual gerada em uma junção, essas duas junções podem ser simultaneamente
polarizadas, resultando na emissão de luz alaranjada.
Geralmente,
os leds são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas
pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses
painéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosca.
Como o
diodo, o LED não pode receber tensão diretamente entre seus terminais, uma vez
que a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada. Assim,
o uso de um resistor limitador em série com o Led é comum nos circuitos que o
utilizam. Para calcular o valor do resistor usa-se a seguinte fórmula: R =
(Vfonte-VLED)/ILED, onde Vfonte é a tensão disponível, VLED é a tensão correta
para o LED em questão e ILED é a corrente que ele pode suportar com segurança.
Tipicamente,
os LEDs grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando redondos)
trabalham com correntes da ordem de 12 a 30 mA e os pequenos (com
aproximadamente 3 mm de diâmetro) operam com a metade desse valor.
Assim:
Adotamos
I1 = 15 mA e I2 = 8 mA, Vfonte = 12 V, VLED = 2 V:
R1 = (12
- 2)/0,015 = 10/0,015 = 680*
R2 = (12
- 2)/0,008 = 10/0,008 = 1K2*
Aproximamos
os resultados para os valores comerciais mais próximos.
Os LEDs
não suportam tensão reversa (Vr) de valor significativo,
podendo-se danificá-los com apenas 5V de tensão
nesse sentido. Por isso, quando alimentado por tensão C.A., o LED costuma ser
acompanhado de um diodo retificador em antiparalelo
(polaridade invertida em relação ao LED), com a finalidade de conduzir os
semi-ciclos nos quais ele - o LED - fica no corte, limitando essa tensão
reversa em torno de 0,7V (tensão direta máxima do diodo), um valor
suficientemente baixo para que sua junção não se danifique. Pode-se adotar
também uma ligação em série entre
o diodo de proteção e o LED.
A energia eletrostática que os portadores de carga perdem
na passagem da interface entre os dois semicondutores é transformada em luz.
Essa energia corresponde à diferença entre dois níveis de energia no
semicondutor, e tem um valor específico próprio dos semicondutores usados no
LED.
