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CONSTRUCAO DE UM RADIOMETRO PARA CARACTERIZACAO DE LEDS
Kelly Abreu∗, Geydison Demetino∗, Joao Moreira∗, Vitor L. Filardi∗, Iuri M. Pepe∗
∗Universidade Federal da BahiaRua Barao de Jeremoabo, s/n
Ondina, Salvador Bahia, Brasil
Emails: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Abstract— This work reports the construction of a LED radiometer for optical characterization. The devicedesign is based on the international standard CIE 127. In order to test the developed instrumentation solution,the irradiance of 5 different wavelengths of LEDs was measured: red (631nm), yellow (587nm), green (530nm),blue (470nm) and violet (398nm). The irradiance values can determine the irradiance potential of each LED.The results showed a huge difference for this physical quantities that can vary from 124 up to 4888 ((W/m2)/A).Using a goniometer mounted in the LED radiometer input, the light intensity was measured as a function of theangular position. This relation appears due to some design and manufacturing issues. The results are consistentwith the expected misalignment between the optical and the geometrical axis, revealing being more severe for theblue and green LEDs and less critical for the red one. A statistical study was made to determine the performancedistribution of 116 commercial blue LEDs; the results could be adjusted using a Gaussian curve. The 80 LEDs hadregular performance; within the range of one standard deviation; 15 LEDs were below average and 21 exceededthe emitted light intensity criterion.
Keywords— LED radiometer, LED irradiance characterization, LED metrology, medical physics and LED
Resumo— Este trabalho reporta sobre a construcao de um radiometro para caracterizacao de LEDs de 3 e 5mm encapsulados em epoxi, seguindo a norma internacional CIE 127. Para testar a solucao de instrumentacaodesenvolvida, foram caracterizados, em relacao a irradiancia LEDs de diversos comprimentos de onda: vermelha(631), amarelo (587 nm), verde (530 nm), azul (470nm) e violeta (398 nm). A partir destes dados, foi determi-nado o potencial de irradiancia para cada um dos LEDs, os resultados mostraram uma grande diferenca paraesta grandeza variando de 124 a 4888 (W/m2)/A). Com auxilio de um goniometro, montado na entrada de LEDdo radiometro, foi determinada a dependencia angular da intensidade do feixe de luz gerado, esta dependencia efuncao de fatores construtivos destes dispositivos. Os resultados sao consistentes com a discrepancia de alinha-mento esperada entre o eixo otico e o eixo geometrico, sendo mais severa para os LEDs azuis e verdes e menoscritica para os LEDs vermelhos ensaiados. Foi feito o estudo estatıstico da distribuicao do desempenho de 116LEDs comerciais, os resultados puderam ser ajustados por uma gaussiana. Dos LEDs ensaiados 80 apresentaramdesempenho medio, dentro do intervalo de um desvio, 15 LEDs apresentaram desempenho abaixo da media e 21superaram a media no criterio intensidade de luz emitida.
Palavras-chave— Radiometro para LED, caracterizacao da irradiancia de LEDs, metrologia de LEDs, FısicaMedica e LED
1 Introducao
A eletroluminescencia e um fenomeno optronicoque resulta na emissao de luz, como resposta apassagem de corrente eletrica em um semicondu-tor. Nos diodos emissores de luz a eletrolumines-cencia ocorre quando, em uma juncao P-N dire-tamente polarizada, eletrons do lado N, que aca-baram de ultrapassar a barreira de potencial dajuncao, se recombinam com lacunas do lado P.
Ao longo de decadas, os LED se mantiveramli-mitados as cores vermelho, amarelo e verde, po-rem, nos anos 90, no Japao, foram produzidosos primeiros LED azuis, que combinados com osLEDs ver-melhos e verdes produziam luz branca,estendo assim a aplicabilidade dos diodos eletro-luminescentes (Nakamura, 1996).
As aplicacoes de LED, no que se refere a ilu-minacao, se mostram extremamente promissoras,se compara-das com a iluminacao classica, feitacom lampadas incandescente. O LED branco econsiderado como um candidato promissor para ailuminacao do futuro (Lourenco, 2010), sendo uma
fonte de luz de alta eficiencia e baixo consumo deenergia, tendo longa vida util (>30.000 h). Por-tanto, nao e difıcil vislum-brar a substituicao dailuminacao como conhecemos hoje, que vem setornando progressivamente obsoleta, diante destanova tecnologia (Nakamura, 1996). O LED nao eapenas usado como dispositivo de iluminacao, mastambem como dispositivo de comunicacao, seja dedados, por fibra otica, ou co-municacao visual porpaineis (Nakamura, 1996). Nao se pode esquecerdas aplicacoes na area de analise quımica e medica(Perez et al., 2008) e (Barolet, 2008), como os tra-tamentos fotodinamicos (PDT) (Photo-dynamicTherapy) - que consiste na aplicacao de um pro-duto fotossensibilizante na pele, por exemplo, oacido 5-aminolevulınico (ALA), que mantido sob-oclusao, penetrara na area do tecido tumoral, nosfolıculos pilosos e nas glandulas sebaceas, para emseguida, ja com o tecido impregnado pela medi-cacao, ser exposto a irradiacao luminosa de umLED. Este feixe de luz concentrado e direcionadoprovoca a destruicao seletiva do tecido da areaafetada por reacao fotoquımica.
Selecionando o comprimento de onda ade-quado, a luz dos LEDs permite o tratamento dofotoen-velhecimento nos seus variados graus, sejapara o rejuvenescimento, para o tratamento de le-soes pre-malignas da pele (queratoses actınicas);prevenindo os casos de cancer da pele (carcinomabasocelular) superficiais; ou ainda no tratamentoda acne inflama-toria (Moreira, 2009).
Os diodos emissores de luz comerciais saofabri-cados a partir de materiais da famılia III e Vda tabela periodica. Existem tambem LEDs pro-duzidos a partir dos materiais das famılias II-VI, aexemplo do ZnSe. O conjunto desses materiais se-micondutores, que compreende diferentes bandasde energias, e capaz de produzir radiacao luminosaentre 200 e 2.500 nm.
Em geral, a capacidade de produzir luz pelosLEDs varia em funcao da tecnologia de fabricacao,do fabricante e mesmo, do lote fabricado. Sendoassim, a irradiancia destes dispositivos passa a serum parametro de interesse, seja por questoes deuni-formidade de paineis de grandes areas, sejapor razoes de manutencao, quando se impoe umatroca standard destes dispositivos ou ainda por ra-zoes medicas, quando da aplicacoes de tratamentodo tipo PDT.
2 Diodo PIN para deteccao de luz
O nome PIN e um anagrama que faz referenciaas regioes P e N do diodo, geralmente de silıcio,onde foi incorporada uma camada intermediariafracamente dopada, portanto com alta resistivi-dade, dita intrınseca (I). Na polarizacao direta,lacunas e eletrons sao injetados na camada intrın-seca I, disso resulta uma certa quantidade mediade carga nessa camada, o que possibilita a condu-cao.
Na polarizacao nula ou inversa, nao ha injecaode carga e o diodo se comporta como um capaci-tor em paralelo com a resistencia de valor alto, jaque a regiao central (I), deste arranjo, tem granderesistividade. Falando de forma simplificada, odiodo PIN pode se comportar como um quasecurto-circuito ou um circuito aberto, em funcaoda polarizacao (Wang et al., 2004) e (Boylestadand Nashelsky, 1984).
Na polarizacao reversa a zona de deplecao au-menta e os fotons que incidem nos atomos da re-giao intrınseca tem maior probabilidade de criarum par eletron-buraco. A pequena mobilidadedesta regiao dificulta a recombinacao do par cri-ado, aumentando a probabilidade que estas cargascheguem as regioes N e P respectivamente, contri-buindo para o aumento da foto-corrente, conformeilustra a Figura 1 (De Camargo, 2005). Em umdiodo a foto-corrente e proporcional ao numero depares criados e, portanto, ao numero de fotos queincidem sobre a area ativa da pastilha e da pro-babilidade destes fotons criarem pares na zona dedeplecao.
Figura 1: Ilustracao da deteccao de fotons e gera-cao de pares eletron-buraco em um diodo PIN rever-samente polarizado. Fonte: Notas de aula do Centro UniversitarioFundacao Santo Andre (FSA), Edson B. Ramos Feris e Laercio Alves No-gueira.
3 O radiometro R2LED
O radiometro para a caracterizacao de LED apre-sentado neste trabalho tomou por base as nor-mas internacionais de metrologia de LEDs pre-conizadas pela CIE 127 de 1997, revisada em2007 (Hermann, 1998) e (Handbook of LED Me-trology, 2000). O principio de funcionamento doradiometro proposto e simples, neste equipamentoo LED a ser caracterizado e posicionado a umadistancia fixa, no interior de um duto escuro, deforma que o conjunto fique isolado da luz ambiente(Svilainis and Dumbrava, 2006). No final destecaminho otico predeterminado, um detector con-verte fotons em fotoeletrons, a irradiancia e entaodeterminada a partir da foto-corrente medida.
Foi usinado, no Laboratorio de PropriedadeOticas (LaPO) do Instituto de Fısica da Univer-sidade Federal da Bahia (UFBA), um tarugo depoliestireno de 40mm de diametros 150 mm decomprimento, alem de uma base de fixacao e doismancais de apoio, feitos em perfil de alumınioanodizado, veja 2. O radiometro recebeu a siglaR2LED ou Radiometro de Referencia para LED.
Figura 2: Foto do R2LED que foi desenvolvido noLaPO.
Numa das extremidades do cilindro foi mon-tado um suporte capaz de receber um porta LEDuniversal, que permite as montagens nao destruti-vas dos LEDs de 3 e 5mm, encapsulados em epoxi.Neste suporte e feita a acomodacao mecanica e aconexao eletrica do LED em teste, sem que hajanecessidade de dobrar, soldar ou crimpar seus ter-minais, assegurando a integridade do dispositivo.Na Figura 3 e mostrado o diagrama da bancadade teste desenvovida.
No outro lado do cilindro foi montado umfoto-diodo Hamamatsu SM1PD2A, cuja correntede saıda, medida por um multımetro de bancada
Figura 3: Diagrama de bancada de teste.
Minipa MDM-8146, serve para determinar a in-tensidade de luz emitida pelos LEDs montados noporta LED, na outra extremidade do cilindro. NaFigura 2 e apresentado o aspecto externo do radi-ometro R2LED, ja a Figura 4 representa a vistade corte do radiometro. A area ativa do Hama-matsu SM1PD2A e de 100 mm2, como estipula anorma.
A distancia efetiva entre o LED e o fotodiodoe exatamente 100 mm, esta distancia e mandatoriapara que a medida da irradiancia possa ser feita.
Figura 4: Vista em corte do radiometro para carac-terizacao de LEDs.
O circuito de polarizacao dos LEDs foi mon-tado de forma a garantir corrente constante e ajus-tavel, sem atentar contra a integridade dos dispo-sitivos ensaiados. A fonte de corrente constantefoi especialmente projetada de forma a garantiruma faixa segura de trabalho entre 3 e 42 mA DC.Uma resistencia com precisao de 0.1%, em seriecom o LED, em teste, cria uma queda de tensaoproporcional a corrente de polarizacao deste diodoeletroluminescente. Esta corrente pode entao sermonitorada por um segundo multımetro MDM-8146.
Na fonte de corrente foi utilizado o circuito in-tegrado LM723 na configuracao de fonte ajustavelde corrente. Esse CI e mais usualmente utilizadoem aplicacoes como: fonte de tensao, regulador dedesvio e controlador de temperatura.
O controle da corrente do LED e feito peloLM723 gracas a comparacao entre tensao aplicadana entrada nao-inversora (pino 5) e a tensao sobreo resistor R2 ligado ao terra e aplicada ao pino 4(entrada inversora). A tensao aplicada a entradanao-inversora e determinada pelo potenciometroR3, e sera no maximo igual a tensao de referenciapresente no pino 6 do CI. Essa comparacao deter-mina a correcao da corrente fornecida pelo pino 10do LM723, de forma a manter a diferenca entre asentradas do comparador sempre igual a zero, verFigura 5.
Figura 5: Diagrama de montagem da fonte de cor-rente para polarizacao de LEDs.
Existe grande dificuldade em obter detalhesda geometria e da otica de um LED, seja na lite-ratura, ou mesmo, em se contatando as empresasfabricantes. Um bom exemplo sao os dados dehomogeneidade e da geometria do cone de ilumi-nacao gerado pelos diodos emissores de luz. Eimportante ressaltar que os contatos eletricos in-ternos, a forma do refletor na parte posterior dodiodo e mesmo a posicao de ancoramento da pas-tilha no catodo, interferem na quantidade e naqualidade da luz emitida, veja Figura 6. Para secontrapor a esta dificuldade foi incluıdo no projetodo R2LED um goniometro, que permite me-dir evariar a posicao angular do LED em teste.
Figura 6: Discrepancia entre o eixo otico e o eixogeometrico observada em LEDs.
4 Resultados
Diferente das lampadas incandescente, os LEDsapresentam uma relacao linear entre a correntede polarizacao e o fluxo de fotons gerado e, por-tanto, com a potencia optica emitida. Isso e ver-dade, desde que essa potencia se mantenha dentrode determinados limites. Sendo assim, o primeiroensaio do radiometro serviu para determinar seos limites impostos a corrente de polarizacao dosLEDs (0.003 a 0.042 A), estes limites devem re-presentar um intervalo dinamico adequado para oteste destes dispositivos optronicos.
Nas Figura 7, Figura 8, Figura 9, Figura 10 eFigura 11 e possıvel visualizar os valores de irra-diancia, em W/m2, obtidos para 5 LEDs (verme-lho, amarelo, verde, azul e violeta). Nessas mes-mas figuras sao apresentadas as retas ajustadase os diferentes coeficientes angulares, que recebe-ram o nome de potencial de irradiancia, expres-sos em (W/m2)/A. A irradiancia foi determinadapor um software desenvolvido no LaPO. Este pro-grama usa a curva de resposta do fotodiodo (sen-sibilidade (A/W) versus o comprimento de onda
(nm), fornecida pelo fabricante (Figura 12)), afoto-corrente gerada pelo fotodiodo (µA), o com-primento de onda de maxima emissao do LED emteste e a area ativa do fotodiodo para determinaresta grandeza. O espectro de emissao dos LEDsforam obtidos pelo espectrofluorımetro Q798-FILda Quimis, tambem desenvolvido pela equipe deengenharia do LaPO, em parceria com a QuimisAparelhos Cientıficos LTDA.
Figura 7: Radiancia em funcao da corrente de pola-rizacao de um LED vermelho comercial.
Figura 8: Radiancia em funcao da corrente de pola-rizacao de um LED amarelo comercial.
Figura 9: Radiancia em funcao da corrente de pola-rizacao de um LED verde comercial.
Apesar de serem todos LEDs comerciais dealto brilho, a diferenca entre o potencial de irra-diancia dos dispositivos testados e marcante, umaexplicacao para este fato pode ser o tipo de se-micondutor usado para conseguir-se uma deter-minada cor de LED. Ou ainda, o tipo de tecnolo-gia usado na fabricacao da pastilha. De qualquerforma, quando do uso de LEDs de diferentes coresnuma aplicacao que requeira homogeneidade daintensidade de luz emitida, como e o caso do der-matoscopio, e imperativo que seja feita uma com-
pensacao na corrente de polarizacao dos eventuaisdiferentes foto-emissores usados.
Figura 10: Radiancia em funcao da corrente de pola-rizacao de um LED azul comercial.
Figura 11: Radiancia em funcao da corrente de pola-rizacao de um LED violeta comercial
Figura 12: Curva de resposta espectral do diodo Ha-mamatsu.
A resposta angular dos LEDs testados (foto-corrente versus angulo de giro do suporte univer-sal) tambem foi medida com o R2LED, gracas aogoniometro montado na extremidade de entradadeste dispositivo, veja Figura 13.
Figura 13: Foto do goniometro acoplado ao suportepara LED.
Neste ensaio os LEDs foram montados nosuporte universal, sempre respeitando o mesmoposicio-namento inicial (em relacao ao chanfro doencapsu-lamento epoxi e terminais do LED). Foientao apli-cada uma corrente de polarizacao, man-tida constante ao longo do ensaio e finalmentefeita a varredura entre 0o e 720o ou duas voltascompletas. O giro dos LEDs seguiu passos de 10o,sendo que a cada nova posicao era lida a correntedo fotodiodo. A Figura 14 ilustra o resultado ob-tido. Na Tabela 1 pode-se visualizar entao os po-tenciais de irradiancia de cada LED testado e oerro associado. Nesta figura fica evidente a depen-dencia entre a irradiancia dos LEDs e o angulo emque estes dispositivos estao posicionados (Svilainisand Dumbrava, 2006). O maximo de emissao doLED vermelho ocorre para um angulo de giro de340o, enquanto que o maximo de emissao do LEDazul ocorre no angulo de 303o. Finalmente o LEDverde, apresenta um maximo a 203o, seguido deum maximo secundario em 336o.
Tabela 1: Comprimento de onda do maximo de emis-sao de 5 diferentes LEDs e seus respectivos potenciaisde irradiancia.
Cor Vermelho Amarelo Verde Azul Violeta
Comprimento deonda (nm)
631 587 530 470 398
Potencial deirradiancia e erro((W/m2)/A)
608 124 1535 4888 2289±4 ±7 ±71 ±150 ±65
Ainda nesta figura, fica evidente que os di-ferentes dispositivos sao mais ou menos afetadospela dependencia angular de seus feixes luminosos.Assim, entre o maximo de emissao e o mınimo deemissao do LED azul, observa-se uma variacao re-lativa de 50.4%. Ja o LED vermelho apresentauma variacao relativa da intensidade em funcaodo angulo de 9,4%. Sendo que o LED verde e oque apresenta a maior estabilidade emissiva, comuma variacao relativa de somente 2.3%.
Figura 14: Grafico da foto-corrente em funcao do an-gulo de giro do porta LED para tres diferentes LEDs.A cor da curva corresponde a cor do LED testado.
Na medicina a utilizacao de LEDs tem se tor-nado cada vez mais frequente. A luz dos LEDsaplicada sobre a pele tras benefıcios que vemsendo estudados e comprovados. A luz vermelhapossui acao cicatri-zacao e age como antiinflama-torio (Rigau et al., 1998) e (Moreira, 2009). En-quanto que a cor azul (470nm) possui acao bac-
tericida e rejuvenescedora. De acordo com algunsestudos, apesar da densidade do fluxo de fotonsdos feixes emitidos pelos LEDs ser menor que naluz dos LASERS, na pele, a luz nao coerente dessesdiodos consegue uma boa interacao com as celulasda derme e da epiderme.
Ainda usando R2LED foi feito um estudo es-tatıstico da distribuicao de desempenho de umapopulacao de 116 LED azuis, todos de um mesmofornecedor, de um mesmo lote de fabricacao,mantendo-se fixa a corrente de polarizacao (10mA). Neste ensaio, o angulo de posicionamento foimantido, cuidadosamente, constante e igual a 90o.A partir dos dados obtidos foi possıvel estimar adispersao da producao de fotons desta populacao,conforme ilustrado na Figura 15.
Figura 15: Curva de distribuicao de desempenhopara uma populacao de 116 LEDs azuis.
No centro da distribuicao os LEDs geram ate0.156 mA no fotodiodo, a altura da distribuicao ede 7,8 eventos. Isso determina uma meia altura de3.9 LEDs, sendo que a largura para a meia alturae de 0.031 mA ou um desvio percentual de 9.95%.Dentro do intervalo tido como um desvio padraofoi observado que 80 LEDs estariam compreen-didos dentro deste limite. Dentro de tal limite,se considerada uma populacao caracterizada comoatendendo a uma distribuicao normal de probabi-lidade, eram esperados 79 LEDs. Como o numeroestimado e o numero observado sao consistentesentre eles, conclui-se que o universo amostradotem significancia estatıstica. Ainda desse estudo,ficou evidenciado que 15 LEDs apresentaram de-sempenho abaixo da media, enquanto que 21 des-ses elementos superam esta media no criterio in-tensidade de luz emitida.
5 Conclusao
Na medida em que se utiliza cada vez mais LEDsenquanto fonte de luz, a caracterizacao destesdispo-sitivos passa a ser indispensavel para os gru-pos de pesquisa e laboratorios de desenvolvimento.Este trabalho apresenta uma solucao de instru-mentacao para a caracterizacao dos parametros deirradiancia e homogeneidade do campo de radia-cao de LEDs de 3 e 5 mm encapsulados em epoxi.No intuito de dar credito e enfase ao radiome-tro R2LED concebido, desenvolvido e montado no
LaPO do IF-UFBA sao apresentados os resultadosde tres diferentes rotinas de caracterizacao: (1)determinacao do poder de irradiancia de LEDs;(2) determinacao da resposta angular do LED emteste; (3) caracterizacao da curva de dispersao dodesempenho de uma populacao de LEDs, de ummesmo fabricante e de um mesmo lote de fabri-cacao. Na medicina a utilizacao de LEDs tem setorna-do cada vez mais frequente, portanto o bomuso desta tecnologia passou a ser indispensavel. Oradiometro proposto neste trabalho pode ser uminstrumento de grande ajuda na otimizacao da po-tencia otica dos LEDs, de modo a obter maximairradiancia e estabe-lecer da direcao de maior ilu-minancia, contribuindo com os tratamentos medi-cos foto-terapeuticos.
Foi projetado, desenvolvido e montado no La-boratorio de Propriedades Oticas do Instituto deFısica da UFBA um radiometro para caracteri-zar LEDs de 3 e 5 mm encapsulados em epoxi.Este radiometro segue as normas internacionaisde medicao de LEDs, preconizadas pela CIE 127de 1997, revisada em 2007. Com base nos re-sultados obtidos, foi possıvel determinar o poderde irradiancia de LEDs comerciais das cores ver-melho, amarelo, verde, azul e violeta, foi possı-vel evidenciar a grande variacao de desempenhodesses dispositivos. Esta grandeza, expressa e em(W/m2)/A), pode ser usada como referencia paraa normalizacao da intensidade em aplicacoes querequeiram o uso de um conjunto de LEDs for-mando uma fonte de luz policromatica. O radio-metro vem munido de um goniometro que permitedeterminar a dependencia angular do feixe de luzgerado pelo LED. No que tange a curva de vari-acao angular, as curvas obtidas se aproximam deuma cossenoide, onde as variacoes de maximos emınimos se repetem. Este comportamento mos-tra consistencia em relacao ao que se espera paraLEDs que incorporam certos aspectos construtivos(tipo de pastilha, geometria dos contatos, ancora-mento das pastilhas no catodo, etc.)
Do estudo estatıstico de uma populacao de116 LEDs comerciais azuis ficou evidente a ne-cessidade de caracterizacao destes componentes sea aplicacao demanda homogeneidade de eficienciada emissao de luz. Para 80 destes LEDs o de-sempenho ficou caracterizado como medio, dentrodo intervalo de um desvio padrao, sendo que 15LEDs apresentaram desempenho abaixo da mediae 21 superam esta media no criterio intensidadede luz emitida. A otimizacao da potencia oticados LEDs; de modo a obter maxima irradiancia; eo estabelecimento da direcao de maior iluminan-cia podem contribuir com os tratamentos medicosfoto-terapeuticos, aumentando o aproveitamentodas sessoes de irradiacao, e assim diminuindo otempo dos tratamentos de PDT.
Agradecimentos
Gostarıamos de agradecer ao CNPq e FAPESBpelo financiamento, ao LaPO pelo suporte tecnicoe pessoal na elaboracao do trabalho.
Referencias
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