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EDISON VERSUS NAKAMURA – A construção do cenário para a Revolução dos LEDs

Famosa Lâmpada de Livermore-CA. Acesa há quase 120 anos sem apagar

Uma tecnologia capaz de aumentar a eficiência no uso do espectro e a probabilidade de recepção, desde que bem compreendida e implementada.

Nº 134 – Julho 2013

Por Fábio Stasiak

ARTIGO ILUMINAÇÃO

Caros leitores, peço sua licença pois, antes de introduzir o assunto LED, gostaria de esclarecer a importância da velha lâmpada incandescente. Apesar de quase obsoleta nos dias atuais, devemos a ela os enormes avanços da indústria e da sociedade no último século. A lâmpada elétrica se popularizou através de Thomas A. Edison, financiado por J. P. Morgan e se espalhou a partir de Nova York para todas as cidades do planeta. Antes de Thomas Edison diversos cientistas conheciam e desenvolviam lâmpadas incandescentes. A incandescência (ou Efeito Joule – que homenageia o Físico Francês James Prescott Joule) é o nome do fenômeno físico que gera a luz quando a eletricidade atravessa um filamento e encontra resistência, aquecendo e irradiando luz visível. Em meados de 1900, muitos inventores de diferentes comunidades científicas do mundo estavam desenvolvendo seus modelos lâmpadas incandescentes com diferentes materiais e apresentando durabilidades bem maiores que as de hoje, como a lâmpada que está acesa há 112 anos numa estação de Corpo de Bombeiros na cidade de Livermore, na Califórnia. Essa lâmpada foi inventada pelo francês Adolphe A. Chaillet, feita com um filamento de carbono pela extinta © Fonte: Tecnologia Humana Shelby Eletric Company (Ohio-EUA).
A eletroluminescência (fenômeno físico da luz dos LEDs) foi pesquisada desde o início do século passado e nas décadas de 1960 e 1970, nos Estados Unidos, pelas empresas Monsanto e Hewlett Packard. Boa parte da história dos LEDs infravermelhos, vermelhos, amarelos e verdes se deve a essa pesquisa norte-americana. Os primeiros dispositivos LEDs que chegaram ao mercado eram caríssimos e custavam até USD200/cada. Foram utilizados em equipamentos militares e em equipamentos de laboratório. A HP passou a produzir displays de 7 segmentos com LEDs vermelhos e essa pesquisa também trouxe grandes avanços nas telecomunicações, produzindo grandes mudanças na sociedade na década de 1980. O advento do controle remoto da nossa televisão, por exemplo, se deu graças ao LED Infravermelho.
Melhor ainda que essa famosa lâmpada de Livermore, do outro lado do mundo o Engenheiro Eletrônico Japonês Shuji Nakamura criou 100 anos depois o primeiro dispositivo luminoso capaz de superar a lâmpada incandescente em eficiência, luminosidade, tamanho e durabilidade. O primeiro protótipo foi feito a partir de um cristal de Safira Sintética e compostos de GaN (Ni- treto de Gálio) num investimento em pesquisa considerado de alto risco pelos gestores da Nichia Corporation, em Tokushima, Japão. O sucesso obtido por Nakamura possibilitou a criação de equipamentos nunca antes imaginados pela ciência.Novas Foundries (Fabricas de Dispositivos Semicondutores) surgiram ganhando espaço e importância somente a partir da invenção do LED azul. Quando Nakamura construiu seu chip de Safira(um óxido de alumínio produzido artificialmente), combinado com Nitreto de GálioÍndio( InGaN), e acoplou uma capa de Fósforo amarelo (YAG)*** ao seu novo dispositivo, produziu o primeiro LED de luz branca, dando início a essa brilhante “Revolução dos LEDs” e ganhou o Prêmio Millenium de Física em 2006.

Em 2010, o departamento de Energia Norte Americano lançou um desafio para as empresas que produziam dispositivos com LEDs nos Estados Unidos: com o prazo de 1 ano para apresentarem seus protótipos Retrofit, o desafio era produzir uma lâmpada de LED que pudesse substituir a lâmpada incandescente tradicional nos lustres das casas, sem precisar de nenhuma adaptação extra. A nova lâmpada tinha que se assemelhar à uma lâmpada incandescente de 60Watts em tamanho, forma e qualidade de luz, mas com as vantagens do LED. As novas lâmpadas deveriam gerar 800 lumens, emitir luz branco-quente em todas as direções, consumir no máximo 10 Watts, renderizar 80% das cores e ter uma vida útil de pelo menos 25.000 horas. A Philips apresentou o modelo ganhador, mas essa campanha colocou em foco a necessidade do Retrofit para o LED e inúmeros modelos de lâmpadas de diversas empresas estão chegando ao mercado, com garantias e vida-útil cada vez maiores, uma verdadeira Revolução na Iluminação. A CREE anunciou esse ano seu modelo de lâmpada Retrofit equivalente a 60W incandescente, que consome 9.5 Watts com Índice de Renderização de Cores de 80%.
Apesar da importância dos LEDs na substituição da luz branca, a pesquisa de Nakamura avançou também para outras cores, com chips em diferentes espectros como: vermelho, verde, violeta e ultravioleta. Possibilitou também a criação de equipamentos RGB (Red- -Green-Blue), cuja variação da intensidade de cada uma dessas três cores é capaz de gerar milhões de cores combinadas nos pixels de displays LED e em holofotes LED-RGB de iluminação profissional. Agora apenas um holofote RGB substitui quilos de equipamentos que antes funcionavam com lâmpadas de filamento e filtros para cada cor, além das toneladas de cabos para conduzir as enormes potências que os antigos equipamentos consumiam. Os milhares de Watts das lâmpadas incandescentes dos palcos e estúdios agora dão lugar à essa nova geração de equipamentos, cada vez mais luminosos e livres do incômodo que o excesso de calor causava e com possibilidades nunca antes imaginadas. Ironicamente, o desafio atual dos LEDs está em eliminar o excesso de calor, mas agora gerando luz em um outro patamar. Os LEDs devem dissipar o excesso de calor e é por isso que os dispositivos LED de alta potência são pesados, por possuírem um grande dissipador metálico (a massa do chip LED desses dispositivos é em torno de 1% da massa total).
A economia que os LEDs proporcionam é também um de seus maiores trunfos, pois apresentam eficiência luminosa de aproximadamente 30%, enquanto que uma lâmpada incandescente oferece apenas 6% no espectro visível. É comum notarmos nas embalagens de lâmpadas LED Retrofit anúncios de “90% de economia”, e isso se traduz corretamente dessa diferença de rendimento entre as duas contrastantes tecnologias. A CREE, Empresa líder mundial na tecnologia LED, apresentou seu protótipo em 2011, produzindo 231 lumens por Watt a uma corrente de 350mA. A eficiência máxima teórica da geração de luz branca é 251 lumens por Watt.
O LED não é infinito e nem dura somente 30 anos. É estranho cogitar essa durabilidade: “30 anos”, num mundo repleto de produtos descartáveis, mas essa revolução está chegando aos consumidores e parece ser somente a ponta do Iceberg. Os LEDs degradam a uma taxa de 10% em 100.000 horas nos dispositivos de alto brilho e a cada 25.000 horas nos dispositivos de alta potência (devido ao maior aquecimento) se mantido nas corretas condições de operação. Isso significa que têm sua vida útil proporcional à temperatura que operam. Podemos ter um dispositivo que rapidamente se degrada se não dissipar o excesso de calor, ou chegar a mais de 100 anos se utilizado em regime ótimo de temperatura. Esse decaimento de luminosidade do LED é um fenômeno conhecido como LED Droop. Mesmo a lâmpada de Livermore, que está no Livros dos Recordes de Guiness como a lâmpada acesa mais antiga do mundo, dos 60 Watts de potência nominal que tinha quando nova, atualmente brilha a somente 4 Watts. Um fato interessante é que já se estragaram 3 webcams desde que começaram a filmar a lâmpada acesa 24 horas por dia.

 

 

 

Por Fábio Stasiak Especialista em LEDs desde 2007, Profissional em Iluminação e Efeitos Especiais de Cenografia em Palcos e Estúdios de Teatro, Cinema e TV e Pesquisador na Unicamp na Área de Efeitos da Luz de LEDs sobre DNA, pelo DSIF-FEEC.