Como funciona um LED – Diodo Emissor de Luz

Como funciona um LED

Um LED (Light-Emitting Diode / Diodo Emissor de Luz) é um dispositivo semicondutor que emite luz em resposta à passagem de corrente elétrica. Trata-se de um componente eletrônico muito popular, amplamente empregado para sinalização em circuitos eletrônicos, por exemplo, para indicar se há energia aplicada a um equipamento ou se ele está ligado / desligado. Foi inventado em 1962, por Nick Holonyak, quando trabalhava na GE.

Existem LEDs de diversas cores, tais como azul, vermelho, verde, laranja, violeta, verde, âmbar, amarelo e outras. A cor da luz emitida é determinada, em princípio, pelos componentes químicos usados internamente e pelos seus dopantes.

Também existem LEDs que emitem luz não-visível, nos espectros infravermelho e ultravioleta.

Símbolo

A figura a seguir mostra os símbolos empregados para representar LEDs em diagramas esquemáticos.

Simbologia de LEDs

Note que se trata do símbolo de um diodo comum, com duas setas apontando para fora do componente, indicando que se trata de um componente emissor de luz.

Aparência e Polaridade de LEDs

A figura a seguir mostra a aparência típica de um LED e sua polaridade:

Aparência e Polaridade de um LED

O terminal maior sempre indica o terminal positivo do componente, que também possui um chanfro maior no corpo do componente.

O ângulo de visão de um LED padrão é de cerca de 60º, porém alguns LEDs possuem ângulo de visão mais estreito, podendo chegar a apenas 30º.

Aplicações de LEDs

Os LEDs possuem inúmeras aplicações, sendo algumas das mais comuns listadas a seguir:

  • Mostrar o status de um dispositivo, em painéis de controle industriais, sistemas de áudio, carregadores de baterias, computadores, aparelhos de TV e outros eletrônicos de consumo
  • Luzes automotivas, sinalização, placares, jogos;
  • Iluminação decorativa (fitas de LED, etc);
  • Aparelhos de controle remoto (LED infravermelho)

Vantagens do emprego de LEDs

Em relação a outros tipos de indicadores luminosos, como lâmpadas incandescentes, os LEDs possuem inúmeras vantagens, tais como:

  • Consomem menos energia
  • Possuem menor tamanho
  • Tem maior tempo de vida (de 35000 a 50000 h/uso)
  • Comutam mais rápido
  • Estão disponíveis em diversas cores, sem a necessidade de filtros
  • Operam com tensões menores
  • Não se aquecem
  • São mais robustos (invólucro de epoxy)

Funcionamento de um LED

Um LED é um tipo especial de diodo, contendo uma junção PN semicondutora, a qual conduz corrente apenas em uma direção.

O diodo se torna condutivo acima de uma tensão limite (threshold voltage) suficiente para forçar os elétrons na região tipo N a se combinarem com as lacunas da região tipo P. Sempre que isso ocorre, energia é liberada, criando um fóton, ou quantum de luz.

A quantidade de energia liberada depende da banda proibida (band gap), uma propriedade do material semicondutor empregado.

Essa energia determina o comprimento de onda e, assim, a cor da luz emitida.

O band gap também determina a tensão limite do LED. Por isso, LEDs de cores diferentes possuem tensões de limite bem diferentes entre si.

Funcionamento de um LED - Diodo Emissor de Luz

Tamanhos e Formatos

Os LEDs são fabricados em diversos tamanhos e formatos, sendo os mais comuns os tamanhos circulares T-1 (3mm de diâmetro) e o T1 ¾ (5mm de diâmetro).

Também existem LEDs de formato retangular, por exemplo, de 1mm x 5mm

LEDs de tamanhos variados

Intensidade Luminosa de um LED

Geralmente a intensidade de luz de um LED é expressa em milicandelas (mcd). Uma candela equivale a 1000 mcd.

A candela mede o fluxo luminoso, ou potência radiante visível, contida em um ângulo de visualização, o qual é tipicamente de 60º (mas pode variar).

Um LED vermelho tipicamente emite 200 mcd de brilho.

Comprimento de Onda da Luz emitida – Cores

O comprimento de onda da luz é medido em nanômetros (nm), onde 1 nm equivale a 1/1000000000 m (um bilionésimo de metro), e está relacionado à cor de luz emitida pelo LED. A cor da luz vai depender do tipo de material químico utilizado em sua fabricação – não é a cor do invólucro plástico do componente que a determina.

O espectro da luz visível se estende de aproximadamente 380 nm a até 740 nm.

Comprimentos de onda mais curtos estão além da extremidade azul do espectro, e os mais longos, aquém da extremidade vermelha. Assim, quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência (são inversamente proporcionais)

Um LED típico emite uma faixa bem estreita de comprimentos de onda, para cada cor.

Comprimentos de Onda Típicos em LEDs

A tabela a seguir mostra as faixas de valores de saída de pico, em nm (nanômetros), para os LEDs indicadores básicos comumente disponíveis:

Comprimentos de Onda típicos de LEDs

Os materiais de fabricação mostrados na tabela são:

  • GaAS – Arsenieto de Gálio
  • GaAsP – Fosfoarsenieto de Gálio
  • AlGaInP – Fosfeto de Índio, Gálio e Alumínio
  • InGaN – Nitreto de Gálio e Índio
  • ZnSe – Seleneto de Zinco
  • BN – Nitreto de Boro
  • AlGaN – Nitreto de Gálio e Alumínio

LEDs de cor Branca possuem tipicamente queda de tensão em cerca de 3,5 V, sendo fabricados com uma combinação de ZnSe + Fósforo.

LEDs multicoloridos

Os terminais de um indicador LED contendo dois um mais diodos podem ser configurados de várias maneiras:

1 – Dois terminais e duas cores (LED Bicolor): Dois diodos montados internamente em paralelo, com polaridades opostas.

Configuração de um LED bicolor

2 – Três terminais e duas cores (LED Bicolor): os diodos compartilham um anodo ou catodo comum

LED Bicolor de Três Terminais

3 – Quatro terminais e três cores (LED RGB): os diodos compartilham um anodo ou catodo comum para formar um LED Tricolor:

LED RGB

Especificações de LEDs

As especificações de um LED, encontradas em Datasheets, incluem, entre outras:

  • Comprimento de onda da luz emitida
  • Intensidade luminosa
  • Tensão direta máxima
  • Corrente direta máxima
  • Tensão e corrente reversas máximas
  • Valores de corrente e tensão para operação normal.
  • Tamanho físico

É importante levar os valores em consideração para escolher o LED mais adequado a uma aplicação específica.

Tensão Direta

Abaixo temos alguns valores típicos de tensão direta requeridos por LEDs comuns de diversas cores:

Tensão direta em LEDs coloridos

Tamanho Físico

Os LEDs são fabricados em tamanhos variados, sendo que os dois tamanhos mais comuns são denominados T-1 e T-1 3/4. O tamanho T-1 possui 3 mm de diâmetro, ao passo que LEDs no tamanho T-1 3/4 possuem 5 mm de diâmetro.

Os LEDs também são encontrados em formado SMD, montados diretamente em uma placa de circuito impresso.

Resistor em Série

Geralmente um LED é usado em dispositivos onde a tensão DC excede a tensão direta máxima do LED, e por isso usamos um resistor em série para restringir a corrente que o atravessa, para evitar que se danifique.

Resistor em Série para LED

Alguns LEDs indicadores possuem um resistor em série internamente com o diodo, o que dispensa o uso do resistor externo

Valor do Resistor em Série

Podemos calcular, de forma aproximada, um valor para a resistência limitadora de corrente para um LED usando a fórmula a seguir:

R = (Vcc – Vf) / I

Onde:

  • R é o valor do resistor a calcular, em ohms
  • Vcc é a tensão de alimentação, em volts
  • Vf é a tensão direta especificada para o LED (f = forward), em volts
  • I é a corrente desejada, em ampères.

Exemplo de cálculo de resistor em série para LED

Suponha um LED que possui tensão direta de 1,8 V e opera com uma corrente de 20 mA. Este LED será ligado a uma fonte de alimentação de 5V. Calcule o valor do resistor de limitação de corrente.

Resolução:

R = (Vcc – Vf) / I

R = (5 – 1,8) / 0,02 = 160 Ω

Esse resistor deve dissipar uma potência de 3,2 V x 20 mA = 64 mW.

Obs.: 3,2 V é a queda de tensão no resistor (5 – 1,8)

Tabela de Intensidades Luminosas de LEDs

Na tabela abaixo temos as intensidades luminosas típicas para os modelos mais comuns de LEDs, com suas respectivas correntes de operação:

Tabela de intensidades luminosas de LEDs por cor

Esses valores podem variar dependendo do modelo de LED, mesmo para uma dada cor.

Outros formatos de LEDs

Podemos encontrar LEDs em diversos formatos e arranjos, como por exemplo:

Diversos formatos de LEDs

LEDs em diversos formatos

Existem também LEDs de alta potência, usados em iluminação de ambientes, e OLEDs (Organic LEDs), feitos com polímeros.

Estudaremos esses arranjos de LEDs nos próximos tutoriais.

Associação de LEDs: Série e Paralelo

Podemos associar LEDs em série ou em paralelo, caso precisemos acionar vários LEDs simultaneamente ou individualmente, usando a mesma fonte de tensão.

Associando LEDs em Série

Associação em série de LEDs

Em uma associação em série de LEDs usamos apenas um resistor limitador de corrente (R1). O valor do resistor R1 é dado por:

Fórmula da Associação em Série de LEDs

Associando LEDs em Paralelo

Associação em Paralelo de LEDs

Em uma associação de LEDs em paralelo, cada LED deve ter seu próprio resistor limitador de corrente, calculado individualmente.

Gostaria de assistir a uma explicação sobre o tema abordado? Então assista a nosso vídeo sobre LEDs do canal da Bóson Treinamentos em Tecnologia:

É isso aí!

Sobre Fábio dos Reis (1332 Artigos)
Fábio dos Reis trabalha com tecnologias variadas há mais de 25 anos, tendo atuado nos campos de Eletrônica, Telecomunicações, Programação de Computadores e Redes de Dados. É um entusiasta de Unix, Linux e Open Source em geral, adora Eletrônica e Música, e estuda idiomas, além de ministrar cursos e palestras sobre diversas tecnologias em São Paulo e outras cidades do Brasil.
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