Princípios básicos dos LEDs — Definição, estrutura e modo de funcionamento
Faróis de LED
Aqui você encontra informações úteis e dicas importantes relacionados com a temática dos faróis LED em veículos.
Atualmente, os LEDs estão substituindo as lâmpadas incandescentes clássicas em veículos motorizados modernos. Não só oferecem uma elevada eficiência luminosa e uma maior segurança, como também uma grande liberdade de design e um elevado potencial de poupança de energia. Nessa página, os interessados em tecnologia podem saciar sua sede de conhecimento sobre os princípios básicos da tecnologia LED em veículos motorizados. Além disso, você também descobrirá o que deve ser considerado durante a regulagem dos modernos faróis LED.
Aviso importante de segurança
As seguintes informações técnicas e dicas práticas foram elaboradas pela HELLA, com o intuito de apoiar as oficinas profissionalmente nos trabalhos do dia a dia. As informações disponibilizadas neste web site apenas devem ser utilizadas por pessoal especializado e devidamente qualificado.
ÍNDICE
PRINCÍPIOS BÁSICOS DOS LEDS — DEFINIÇÃO, ESTRUTURA E MODO DE FUNCIONAMENTO: PRINCÍPIOS BÁSICOS
O díodo emissor de luz também é designado por díodo luminescente ou simplesmente por LED. LED significa "Light Emitting Diode" (díodo emissor de luz) porque transforma energia elétrica em luz. Sob a perspectiva da física, é uma fonte de luz fria e um elemento modular semicondutor eletrônico da optoeletrônica, cuja capacidade de condutividade se situa entre a dos condutores (p. ex. metais, água, grafite) e não condutores (p. ex. não-metais, vidro, madeira).
Estrutura
Existem díodos emissores de luz em diversos tamanhos, formatos e cores, conforme necessário. A versão clássica (LED standard) tem uma forma similar a um cilindro e está fechada por uma semiesfera, no local onde sai a luz.
Os díodos emissores de luz simples são compostos pelos seguintes componentes
- Chip LED
- Prato refletor (com contato com o cátodo)
- Fio dourado (contato com o ânodo)
- Lente em material sintético (une e fixa os componentes)
Pequeno e resistente — O díodo de alta potência
Os díodos de alta potência dispõem de uma grande peça bruta de metal que assegura uma melhor regulagem térmica. Como o calor é mais facilmente dissipado, mais corrente pode fluir através do díodo, a luz é emitida em uma área maior e a eficiência luminosa é maior. Em comparação com um LED simples de 5 mm, a resistência térmica é reduzida em 10 vezes. Em termos práticos isso significa que um díodo de alta potência, por exemplo, o Luxeon Rebel, tem uma superfície emissora de cerca de 1 mm e uma eficiência luminosa de cerca de 40–100 Lúmenes. A performance de um LED padrão e normal de 5 mm é comparativamente insignificante. Com um tamanho de 0,25 mm e uma potência inferior a 0,1 W e 20–30 mA, ele tem uma eficiência luminosa de apenas 1–2 Lúmenes.
O formato pequeno e plano dos LEDs oferece uma grande liberdade criativa para um design futurista dos produtos: por exemplo, os módulos para luzes de circulação diurna "LEDayFlex“ para VP, Truck e motocasas.
Modelos
Existem diferentes tipos e modelos de díodos emissores de luz. Conforme a área de aplicação, distinguem-se pela sua estrutura, potência e vida útil. Os LEDs mais importantes são:
Díodos emissores de luz com fio
O precursor de todos os LEDs é o díodo emissor de luz com fio que foi usado principalmente para fins de controle. Em combinação com vários LEDs, eles também são usados, hoje em dia, como spots LED, lâmpadas fluorescentes, módulos ou tubos. Eles estão disponíveis nos tamanhos de 3, 5 e 10 mm. O cátodo, o polo negativo de um LED com fio, pode ser reconhecido pelo fato de ser mais curto que o ânodo (polo positivo) e de o revestimento plástico ser achatado. O ângulo de saída da luz é definido pelo formato da lente da carcaça.
SuperFlux
Mais eficiente do que LEDs simples com fio, os LEDs SuperFlux podem ter até quatro chips (cristais semicondutores). Os modelos mais frequentes são "Piranha" e "Spider". Esses se caracterizam por um grande ângulo de iluminação e são especialmente usados na iluminação de superfícies, porque a luz é distribuída de forma superficial. A dissipação térmica eficiente é realizada por quatro contatos que podem ser comandados separadamente. A estrutura do High Flux garante sua longa vida útil, fazendo desse modelo um elemento luminoso eficiente e de aplicação universal.
SMD
SMD significa "Surface Mounted Device" que, por sua vez, significa que esse díodo é próprio para a montagem em superfícies. Os LEDs SMD são maioritariamente compostos por três até quatro chips e têm contatos de solda que são soldados na respectiva placa de circuitos impressos ou na superfície de conexão. Esses são particularmente insensíveis à densidade da corrente, pelo que podem brilhar intensamente. Existe um vasto leque de versões do LED SMD. O tamanho, o formato da cobertura e a intensidade do fluxo luminoso podem ser escolhidos variadamente. Esses são usados em combinação com outros díodos emissores de luz SMD em lâmpadas fluorescentes e módulos LED. Na indústria automotiva, ele é principalmente usado para a luz de circulação diurna, luz indicadora de direção e de freio.
High Power
Os LEDs High Power são díodos emissores de luz potentes e resistentes que, em condições de operação normais, podem ser operados com correntes elétricas de 1.000 mA. Esses são principalmente usados em placas de circuitos impressos com núcleo metálico. Seu formato excepcional coloca desafios elevadíssimos à gestão térmica.
COB
O LED "Chip On Board“ (COB) é o díodo emissor de luz mais avançado da atualidade. Ele tem esse nome porque é montado diretamente na platina. Esse processo é realizado por meio de "junção", em qual os chips são fixados automaticamente na placa de circuitos impressos revestida em ouro. O contato com o polo oposto é realizado através de um fio em ouro ou alumínio. Uma vez que nos LEDs COB não são usados refletores ou sistemas ópticos, o ângulo de iluminação da luz emitida é particularmente grande. As maiores vantagens da tecnologia COB incidem na elevada intensidade luminosa, na iluminação homogênea e no vasto leque de aplicações.
Mas afinal de que é feito um LED?
Basicamente um LED é composto por várias camadas de ligações de semicondutores. Semicondutores, como o silício, são substâncias que são posicionadas entre condutores, por exemplo, metais, prata e cobre, e não-condutores (isoladores), por exemplo, teflon e vidro de quartzo. Através da instalação objetiva de substâncias estranhas eletricamente eficientes (dopagem), os semicondutores podem ser fortemente influenciados em sua condutividade. As várias camadas semicondutoras formam o chip LED. O tipo e modo de composição dessas camadas (semicondutores diferentes) determina decisivamente a eficiência luminosa do LED e a cor da luz.
O LED produz (emite) luz, assim que for alimentado com corrente elétrica no sentido do fluxo (do ânodo + para o cátodo –).
A camada n-dopada está preparada, pela instalação de átomos estranhos, de modo a existir uma abundância de elétrons. Na camada p-dopada existem apenas poucos portadores de cargas. Isso forma as chamadas lacunas de elétrons (buracos). Conectando uma corrente elétrica (+) na camada p-dopada e (–) na camada n-dopada, os portadores de cargas se deslocam uns em direção aos outros. Durante a transição pn é provocada uma recombinação (reunificação de partículas com cargas opostas, formando uma estrutura neutra). Nesse processo é libertada energia em forma de luz.
Características elétricas — Por que uma corrente elevada é prejudicial
Se um díodo emissor de luz for conectado a tensão elétrica, sua resistência desce para zero. Os díodos emissores de luz são componentes extremamente sensíveis, nos quais a mais pequena ultrapassagem do nível de corrente admissível causa a destruição dos mesmos. Por conseguinte, é essencial assegurar que os díodos emissores de luz nunca sejam conectados diretamente a uma fonte de tensão. Eles não devem ser conectados até que um limitador de corrente ou pré-resistor tenha sido instalado no circuito. No caso de LEDs de alta potência, o comando é efetuado através de um reator conectado a montante, que fornece uma corrente constante.
No diagrama é exibido um circuito, o qual é necessário para um desempenho ideal do LED. Nesse caso, um pré-resistor é usado como um limitador para controlar a corrente direta IF, que flui através do díodo emissor de luz. Para selecionar adequadamente o resistor, deve-se determinar previamente a tensão direta UF.
Para calcular o pré-resistor RV é necessário averiguar a tensão total, a tensão direta e a corrente direta.
Circuito elétrico
Fórmula pré-resistor RV
Comando LED
Visto que os LEDs necessitam de pouca corrente, eles brilham se receberem apenas uma pequena parte (poucos mA) da corrente direta autorizada. Frequentemente essa é suficiente para garantir a iluminação necessária. Conforme anteriormente referido, existem variadas possibilidades para operar LEDs.
Possibilidades de comando dos LEDs
O futuro dos LEDs — Excelentes condições de iluminação no veículo
Embora o LED atualmente somente esteja representado no segmento de luxo na indústria automotiva, devido aos elevados custos de aquisição, ele irá se impor a longo prazo. Além dos aspectos econômicos, há essencialmente razões técnicas para usar LEDs de série.
Os díodos emissores de luz se caracterizam por funcionalidade, performance técnica e resultados de luz perfeitos. Eles apoiam a conservação dos recursos energéticos e garantem uma maior segurança rodoviária. Além disso, a cor da luz semelhante à luz do dia permite uma percepção subjetiva da luz agradável e aumentada.
A longo prazo, o mercado LED para lanternas e faróis se vai desenvolver em duas direções: por um lado, o segmento de luxo vai ter mais importância, o que requer uma elevada funcionalidade com uma potência luminosa excelente. Por outro lado, será exigido mais das áreas com motivação econômica e ecológica, o que pressupõe não só um baixo consumo de energia, mas também soluções de baixo custo. Altamente desenvolvidos, funcionais e econômicos — Os LEDs oferecem muitas possibilidades.
Ópticas LED no automóvel
Existem diversos métodos para direcionar a luz em uma determinada direção. Os processos mais importantes do direcionamento da luz na iluminação do automóvel são a reflexão, a quebra e o híbrido (combinação entre reflexão e quebra).
Exemplos para as técnicas de direcionamento da luz
Módulos de luz combinados produzem a luz
Visto que os LEDs necessitam de pouca corrente, eles brilham se receberem apenas uma pequena parte (poucos mA) da corrente direta autorizada. Frequentemente essa é suficiente para garantir a iluminação necessária. Conforme anteriormente referido, existem variadas possibilidades para operar LEDs. De lado são exibidas três dessas possibilidades.
GESTÃO TÉRMICA: PRINCÍPIOS BÁSICOS
A gestão térmica desempenha um papel importante no uso de díodos emissores de luz, uma vez que esses componentes reagem ao calor de uma forma muito sensível.
Os díodos emissores de luz são fontes de luz fria que emitem luz, mas não emitem praticamente nenhuma radiação UV ou IV. A luz emitida tem um efeito frio e não aquece os objetos iluminados. No entanto, o próprio LED é aquecido pelo processo de produção de luz. Até 85% da energia é transformada em calor. Quanto mais baixa for a temperatura, mais claro e durante mais tempo brilha o LED. Assim, é fundamental assegurar um arrefecimento adequado. Além do calor produzido, é necessário considerar, nos faróis ou lanternas, outras fontes de calor, como o calor produzido pelo motor, a radiação solar, etc. Portanto, ainda hoje são usadas diferentes técnicas para o aumento da transferência ou dissipação térmica, de acordo com o respectivo LED.
Exemplos
a) Dissipador térmico de aletas
b) Dissipador térmico com pinos
c) Dissipador térmico com "Heatpipe"
Além disso, existe geralmente a possibilidade de regular a corrente para os LEDs. Em condições extremas, a potência dos LEDs pode ser reduzida em conformidade, de modo a diminuir a produção de calor. Para aumentar ainda mais o arrefecimento, a circulação de ar entre os elementos de arrefecimento é aumentada através de um ventilador axial ou radial.
Dissipador térmico de aletas
Ventilador axial Audi A8
VANTAGENS DOS LEDs: COMPARAÇÃO
Os díodos emissores de luz convencem em inúmeros aspectos. Eles são mais dispendiosos na aquisição do que as lâmpadas incandescentes normais ou as lâmpadas de halogêneo, mas o custo acrescido se amortiza muito rapidamente. É precisamente no setor automotivo que as características positivas dos LEDs são aproveitadas e que esses são usados de forma reforçada em veículos novos, devido às seguintes vantagens:
| Fonte de luz | Fluxo luminoso [lm] | Eficiência [lm/W] | Temperatura da cor [K] | Luminância [Mcd/m2] |
|---|---|---|---|---|
| Lâmpada incandescente convencional W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2.700 | ~ 5 |
| Lâmpada de halogêneo H7 | ~ 1.100 | ~ 25 | ~ 3.200 | ~ 30 |
| Descarga de gás D2S | ~ 3.200 | ~ 90 | ~ 4.000 | ~ 90 |
| LED 2,5 Watts | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6.500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Vantagens mais importantes
- Baixo consumo de energia
- Longa vida útil
- Resistente a choques e vibrações
- Produção reduzida de calor
- Sem custos de manutenção e limpeza
- Isento de mercúrio
- Boa limitação de ofuscamento
- Sem inércia, comutáveis e moduláveis
- Produção de luz de elevada qualidade
- Diversas formas (aplicáveis em quase todo o lado)
- Disposição individual do elemento luminoso
- A temperatura se mantém aquando da redução da intensidade luminosa
- Cor da luz regulável
- Custos de produção reduzidos
- Quantidade de luz aumentada/chip
- Falhas precoces muito reduzidas
- Dimensões mais reduzidas
- Sem radiações UV ou IV
- Baixo consumo de energia
- Luz direcional — Radiador Lambert com um ângulo de iluminação de 120°
- Saturação da cor elevada
Otimizar o consumo de energia e potenciais de poupança através dos LEDs
A proteção ambiental e a escalada dos preços dos combustíveis são os dois argumentos principais que justificam a importância atual da temática da poupança energética. Atualmente, o principal fator de decisão durante a escolha de um novo veículo é o consumo do combustível. No entanto, é com muita frequência que são negligenciados os potenciais de poupança relacionados com o consumo de energia da iluminação dos veículos.
O gráfico supraindicado mostra 100% de consumo de energia de um veículo equipado com uma combinação de lâmpadas incandescentes (lanternas traseiras) e lâmpadas de halogêneo (faróis). Nesse caso, é fácil de identificar qual é o maior consumidor de corrente elétrica. 60% do consumo de energia reside na luz baixa.
Mesmo a aplicação de uma combinação de lanternas de xênon e LED permite reduzir o consumo de energia em cerca de 39%.
Se apostarmos somente em uma iluminação LED, o consumo de energia é reduzido em 60%.
Poupança de combustível na combinação de diferentes elementos luminosos
| Configuração do veículo (farol/lanterna traseira) | Consumo de combustível [l/100 km] | Emissão de CO2 [kg/100 km] | Redução |
|---|---|---|---|
| Halogêneo/convencional | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Xênon/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39% |
| LED/LED (potencial para 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60% |
Consumo de combustível e emissão de CO2 a um tempo de funcionamento médio da iluminação
| Sistema LCD | Consumo de combustível [l/100 km] | Emissão de CO2 [kg/100 km] | Redução |
|---|---|---|---|
| Farol de halogêneo | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (função LCD separada) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91% |
Consumo de combustível adicional e emissão de CO2 para a luz de circulação diurna (LCD)
| Comparação elementos luminosos | Consumo de combustível |
|---|---|
| Configuração lâmpadas de halogêneo/incandescentes | 0,10–0,25 l /100 km |
| Configuração xênon/LED | 0,05–0,15 l /100 km |
| Configuração totalmente LED (potencial 2015) | 0,03–0,09 l /100 km |
Consumo de combustível conforme configuração da iluminação (veículo OE)
Redução do percurso de frenagem — Apostar no seguro com LED
O número de veículos registrados está aumentando em todo o mundo. Devido à maior densidade de tráfego nas estradas, as colisões traseiras são cada vez mais frequentes. Para o evitar, é importante que o motorista tenha uma percepção rápida dos sinais luminosos. Enquanto uma lâmpada incandescente normal necessita de até 0,2 segundos para acender, um LED reage diretamente. O LED não requer uma fase de aquecimento e se acende imediatamente, assim que o pedal do freio for pressionado. Isso permite que o veículo traseiro reaja mais rapidamente à frenagem do veículo dianteiro.
Exemplo
Dois carros circulam, um atrás do outro, a uma velocidade de 100 km/h (distância de segurança 50 m). O veículo da frente frena e devido ao acender imediato dos LED, o motorista do veículo de trás pode reagir quase no mesmo momento e frenar também. Desse modo, o percurso de frenagem é reduzido em quase 5 m. Isso representa um aumento enorme de segurança.
REGULAÇÃO DOS FARÓIS LED NO EXEMPLO DO AUDI A8: INSTRUÇÕES
Por norma, todos os faróis LED podem ser regulados com aparelho de regulagem normal. Os faróis LED equipados com uma lente óptica (luz baixa) são tratados da mesma forma que todos os outros faróis equipados com uma única fonte de luz, aquando do controle e regulagem da distribuição da luz. Em alguns faróis equipados com várias fontes de luz , é necessário prestar atenção a uma particularidade. Devido ao design de alguns faróis, a lente convergente do aparelho de regulagem é simplesmente muito pequena para captar a luz de saída (luz baixa) de todos os LEDs. Nessas circunstâncias é importante saber quais LEDs são responsáveis por quais funções de luz.
Farol Audi A8 — Luz baixa
Durante a preparação do veículo é fundamental ter em consideração as informações do fabricante! Isso é evidenciado na luz baixa do Audi A8. Conforme previamente mencionado, três LEDs dispostos verticalmente produzem uma parte simétrica e uma parte assimétrica da luz baixa.
Regular a distribuição da luz
Por isso, o aparelho de regulagem tem que ser alinhado com essas lentes. Se o aparelho de regulagem dos faróis estiver alinhado de acordo com as especificações, a distribuição de luz pode ser regulada da forma habitual.
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