estudo de leds e lâmpadas para aplicação em energia

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ESTUDO DE LEDS E LÂMPADAS PARA APLICAÇÃO EM ENERGIA
SOLAR
Rafaela Teixeira Alves (1), Germano Pinto Guedes (2)
1. Estudante de Iniciação Voluntária, Graduando em Física, Universidade Estadual de Feira de Santana, e-mail:
[email protected]
2. Orientador, Departamento de Física, Universidade Estadual de Feira de Santana, e-mail: [email protected]
INTRODUÇÃO
A resistência elétrica é uma propriedade dos materiais e pode ser deduzida a partir da
lei de Ohm (V=RI). Tomando-se a curva corrente versus tensão, a inclinação da mesma nos
fornece a relação dI/dV=1/R, que é a Lei de Ohm na sua forma diferencial. Dispositivos onde
a curva corrente versus tensão é uma reta, o valor da resistência é constante. Em outros
materiais a corrente varia com a tensão aplicada de uma forma não-linear, o que resulta em
uma resistência que também varia com a tensão, ou seja, R(V) =1/(dI/dV). Um caso especial
são os semicondutores, cuja condução só se dá a partir de um valor mínimo de tensão
correspondente à energia entre as bandas de valência e de condução, ou gap de energia.
Voltagens crescentes acima destes valores críticos, provocam correntes também crescentes de
forma exponencial, I=Is [e (eV/kT)-1], onde Is é a corrente de saturação reversa e permite
calcular a corrente I na junção em função da tensão V aplicada. Esta equação foi deduzida por
W. Shockley em 1954 (Sergio M. Rezende) e mostra claramente que a resistência elétrica do
diodo é não linear com a voltagem aplicada. Os diodos emissores de luz (Light Emitting
Diode), ou LEDs, além das características elétricas similares às do diodo, emitem fótons com
comprimento de onda característicos determinado pelo gap de energia (Eg), através da relação
λ=hc/Eg , onde h é a constante de Planck e c é a velocidade da luz. Outros dispositivos não
ôhmicos são as lâmpadas incandescentes, pois o metal aquecido altera a resistividade do
material de uma maneira não linear.
Neste trabalho avaliamos propriedades elétricas e ópticas de dispositivos de estado
sólido, comprovando seu comportamento não-linear de condução. Mostraremos espectros de
emissão de diferentes LEDs (distintos gaps) que resultam em fótons de diferentes energias
(cores). Finalizando, analisamos o comportamento de uma lâmpada incandescente operando
em diferentes potências e pudemos verificar a lei de deslocamento de Wien onde é possível
estimar a temperatura de uma fonte a partir do conhecimento do seu espectro de emissão.
MATERIAIS E METODOS
O trabalho foi dividido em quatro etapas, onde foram utilizados LEDs de diferentes
tamanhos e diferentes cores e uma lâmpada do tipo incandescente. Para obter as
características ópticas de cada LED, ou seja, seus espectros de emissão, realizamos o
experimento com o programa Spectra Suíte controlando o espectrômetro Red Tide (Ocean
Optics) e para os dados elétricos utilizamos multímetros adaptados como voltímetros e
amperímetros.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na primeira etapa do trabalho foram avaliadas as propriedades elétricas de um diodo
retificador e de um resistor ôhmico. Nesse experimento foi construída a curva da corrente
versus tensão do diodo e analisada a resistência do dispositivo.
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(a)
(b)
200
Y=A+BX
A 0,74 V
-3
B 8,83x10
200
150
Corrente (mA)
Corrente ( mA )
Y=A+BX
A -3979,22 V
-3
B 5343,07x10
100
50
Y=A+BX
A -12,00 V
-3
B 25,22x10
0
0,45
150
100
50
0
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0
5
Tensão no diodo ( V )
10
15
20
25
Tensão no Resistor ( V )
Figura 1: gráfico da curva corrente versus tensão (a) para o diodo; (b) para o resistor
No gráfico da curva corrente versus tensão no diodo (figura (a)), é possível observar
que inicialmente a resistência é grande (1/R pequeno), e a partir de 0,64V a resistência
diminui, quando então a corrente começa a conduzir. Seguindo a analise da Lei de Ohm,
podemos concluir que a resistência nesta curva varia de 39,65Ω para a região inicial que está
entre 0,48V e 0,64V, caindo para 0,187Ω em 0,77V.
O experimento seguinte foi realizado para avaliar as propriedades elétricas de quatro
LEDs e seu gap de energia. Nesse experimento foi possível compreender a resistência dos
LEDs sendo análogo ao experimento anterior. A partir daí, temos as seguintes curvas:
(a)
24
24
VERDE
VERMELHO
AMARELO
AZUL
20
(b)
4000
3500
20
AMARELO
AZUL
VERDE
VERMELHO
16
12
12
8
8
4
4
Intensidade (U.A.)
Corrente (mA)
3000
16
2500
2000
1500
1000
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Tensão no LED (V)
3,0
0
3,5
500
0
400
450
500
550
600
650
700
Comprimento de onda (nm)
Figura 2: Propriedades elétricas e ópticas de diferentes LEDs: (a) curva corrente versus tensão nos LEDs, mostrando
diferentes voltagens de trabalho; (b) espectro de emissão de diferentes LEDs.
Com a obtenção dessas curvas é possível visualizar a relação entre as propriedades
ópticas e elétricas dos LEDs. No gráfico (a) o LED azul encontra-se na direita. Já no gráfico (b)
o mesmo encontra-se à esquerda. Podemos concluir, a partir daí, que quanto maior a tensão de
condução do LED menor a sua faixa espectral. Em outras palavras, quanto mais quente estiver
o corpo, menor será o seu comprimento de onda.
Para comparar as propriedades elétricas e ópticas entre LEDs comerciais de cor
vermelha de diferentes modelos e tamanhos, medindo as curva corrente versus tensão de cada
LED e os seus espectros de emissão, a partir dos quais calculamos o respectivo gap de energia.
884
100
(a)
(b) 3500
LED 1
LED 2
LED 3
LED 4
80
LED 1
LED 2
LED 3
LED 4
3000
Intensidade (U.A.)
Corrente (mA)
2500
60
40
20
2000
1500
1000
500
0
0
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
550
2,0
600
650
700
750
Comprimento de onda (nm)
Tensão no LED (V)
Figura 3: Estudo comparativo de LEDs vermelhos de diferentes modelos: (a) curvas corrente versus tensão e (b)
espectros de emissão
É possível observar que os comprimentos de onda dos LEDs vermelhos estão dentro
da faixa da cor vermelha, que está entre 625nm e 700nm, com pequenas variações de
tonalidades.
Em outro experimento, usamos uma lâmpada do tipo incandescente para medir o seu
espectro de emissão e compara-lo com o espectro de um corpo negro.
(a)
(b) 4000
1000
T= 4.306K
 = 673nm
P = 1120 W
3500
800
Intensidade (U.A.)
Potência (W)
3000
600
400
T= 4.255K
 = 681nm
P = 910 W
2500
2000
T= 4.236K
 = 684nm
P = 720 W
1500
1000
T= 3.937K
= 736nm
P = 550W
200
500
0
T= 3.926K
= 738nm
P = 400W
0
10
20
30
40
50
60
Tensão (V)
70
400
500
600
700
800
900
1000
Comprimento de onda ()
Figura 4: Estudo da Lâmpada incandescente: (a) curva de potência versus tensão; (b) espectros de emissão para
diferentes potências elétricas. Percebe-se aqui o deslocamento do espectro para o azul com o aumento da potência.
A curva potência versus tensão da lâmpada não é linear. Sendo assim, não é
considerado um sistema ôhmico. Depois de encontrar o comprimento de onda na faixa
espectral, calculamos a temperatura em cada pico máximo.
CONCLUSÃO
Com a realização do estudo foi possível compreender as propriedades ópticas e
elétricas dos materiais utilizados, relacionando-as de maneira sucinta. Os LEDs diferem-se
das lâmpadas pelo baixo consumo de energia como foi mostrado ao longo do estudo e assim
foi possível alcançar o objetivo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] REZENDE, SERGIO. Materiais e Dispositivos Eletrônicos – Editora Livraria da Física;
[2] SERWAY, RAYMOND A., Princípios de Física 4 – Ópticas e Física Moderna – Editora
Thomson;
[3] SERWAY, RAYMOND A., Princípios de Física 3 – Eletromagnetismo – Editora
Thomson;
[4] http://www.sustentabilidade.org.br/info_det.asp?codigo=1040 / acesso 27/04/2011;