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Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4 Diodos Emisores de Luz (LEDs)

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Page 1: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Ponentes: Marco Antonio Dalla CostaGustavo Ariel Barbera

13 a 18 de Febrero de 2012

Sistema Electrónicos para Iluminación

Día 4 Diodos Emisores de Luz (LEDs)

Page 2: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

MOTIVACIÓN

Los LEDs son la Fuente de Iluminación del Futuro.

Page 3: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

MOTIVACIÓN

Ventajas de los LEDs:

Eficiencia (+ de 100 lm/W)

Vida Útil (100.000 horas)

Tamaño Reducido

Dimming Simple

No Rompe con Facilidad

No Utiliza Metales Pesados

Tecnología en Desarrollo

Page 4: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

SUMARIO

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras;

Principio de Funcionamiento;

Características Eléctricas;

Características Térmicas;

Accionamiento y Control;

Aplicaciones;

Tendencias Futuras;

Conclusión.

Page 5: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

1907

Primera Referencia sobre Electroluminiscencia

Henry J. Round, Inglaterra, Electrical World

“que se refiere a la posibilidad de la luz ser

producida por materiales semiconductores”

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

Page 6: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

1927

Oleg Vladimirovich Losev,

Trabajaba con transmisiones de radio. Observó que algunos diodos de receptores emitían luz.

Publicó el primer artículo sobre LEDs en 1927: “Luminous carborundum [silicon carbide] detector and detection with crystals”

De 1927 a 1930 publicó 16 artículos sobre LEDs.

En 1942, a los 39 años, murió de hambre durante el bloqueo de Leningrado en la Segunda Guerra Mundial.

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

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Transistor Bipolar

Bardeen

Nick Holonyak,Jr

General Electric

1947

1952

1962

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

LED Azul

1990

Page 8: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED Original – 1962

10 mCd en 655 nm con 20 mA.

Décadas de 60 y 70

Mejora en la eficiencia luminosa

Nuevos Colores

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

Page 9: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Nuevos materiales

GaAlAs

Nuevas geometrías

Multicapas

Alta intensidad

10 x

NuevosColores

IGaAlP

RojoAmarilloNaranjaVerde

Década de 80

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

Page 10: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED azul se torna viable en 1993 Celda RGB – imágenes

LED blanco introducido en 1995 Utiliza conversión de frecuencia

LED para Iluminación se torna viable

Busca competitividad con otras fuentes de luz

Década de 90

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

Page 11: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Fuente: Solid State Lighting – Lamps, Chips, and Materials for Tomorrow. IEEE Circuits & Devices Magazine, 2004.

Evolución de la Eficiencia de LEDs Blancos

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

Page 12: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Fuente: Solid State Lighting – Lamps, Chips, and Materials for Tomorrow. IEEE Circuits & Devices Magazine, 2004.

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

Page 13: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Fuente: Solid State Lighting – Lamps, Chips, and Materials for Tomorrow. IEEE Circuits & Devices Magazine, 2004.

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

Page 14: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

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Principio de Funcionamiento

FENÓMENO FÍSICO DENOMINADO INYECCIÓN LUMINISCENTE

LA EMISIÓN ESPONTÁNEA DE LUZ EN SEMICONDUCTORES ES DEBIDA A LA RECOMBINACIÓN RADIANTE DE LOS EXCESOS DE HUECOS Y ELECTRONES

EL EXCESO DE HUECOS Y ELECTRONES SE PRODUCE MEDIANTE LA INYECCIÓN DE CORRIENTE CON PEQUEÑAS PÉRDIDAS

LA FORMA MAS EFICIENTE DE ELECTROLUMINISCENCIA ES LA INYECCIÓN LUMINISCENTE

FENÓMENO DESCUBIERTO POR ROUND EN 1907: INYECTO CORRIENTE EN UNA UNIÓN DE METAL CON CARBURO DE SILICIO Y OBSERVO LUZ AMARILLA

LA INVENCIÓN DEL LED ROJO OCURRIÓ EN 1962 (HOLONYAK Y BEVACQUA)

EN LA ACTUALIDAD ES UNO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS MAS PROMETEDORES PARA PRODUCIR LUZ

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Características Generales

Principio de Funcionamiento

Page 17: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Recombinación y emisión de fotones

Características Generales

Principio de Funcionamiento

Page 18: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Recombinaciones a través de defectos

h

Ec

Ev

Ec

Ev

Principio de Funcionamiento

Page 19: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

h

Ec

Ev

Ec

Ev

Recombinaciones a través de defectos

Principio de Funcionamiento

Page 20: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

U0: tensión de la uniónq: carga del electrón

Eg

P N

U0·q

Zona de transición

Ánodo

U0

–––

–+

+++

+

Cátodo

N

Eg: energía de la banda prohibida

P

Principio de Funcionamiento

Page 21: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Ánodo

Cátodo

U0: tensión de la uniónq: carga del electrón

Eg

P N(U0-U)·q

–––

–+

+++

+

NP

U0-U

U

Eg: energía de la banda prohibida

Zona de transición

Principio de Funcionamiento

Page 22: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Eg

P N

Ánodo

U0-U

–––

–+

+++

+

Cátodo

NP

U

U0: tensión de la uniónq: carga del electrón

(U0-U)·q

Eg: energía de la banda prohibida

Zona de transición

Principio de Funcionamiento

Page 23: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Eg

P N

Ánodo

U0-U

–––

–+

+++

+

Cátodo

NP

U

U0: tensión de la uniónq: carga del electrón

(U0-U)·q

Eg: energía de la banda prohibida

Zona de transición

Principio de Funcionamiento

Page 24: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Problemática de la absorción

–––

++++

+

N+

P

x0eII

: coeficiente de absorción Energía, h (eV)

10

101

102

103

104

(c

m-1)

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

GaAs

Principio de Funcionamiento

Page 25: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Extracción de la luz

++

++

+

P

n2 n1

2

21

21

nnnn

R

1

2c n

nasen

Principio de Funcionamiento

Page 26: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Características Generales

Principio de Funcionamiento

Page 27: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

pHeterounión simple (SH)

EgN

EvN

EcN EFN

N

Evp

Ecp

Egp

EFp

p

Ev

N

Ec

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

Page 28: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

p Np

–––

++++

+

N

Evp

Ecp

Egp

EFp

EgN

EvN

EcN EFN

Np

Ev

Ec

Heterounión simple (SH)

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

Page 29: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

pHeterounión simple (SH)

Np

–––

++++

+

N

Egp

EFp

EgN

EFN

Np

Ev

Ec

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

Page 30: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

N+Heterounión doble (DH)

++++

+

p P

–––

–EF

AlGaAs GaAs AlGaAs

2eV

2eV1,4eV

2-1,4

qUo

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

Page 31: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

N+Heterounión doble (DH)

++++

+

p P

–––

–AlGaAs GaAs AlGaAs

EF2eV

2eV1,4eV

2-1,4Q(Uo-U)

U

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

Page 32: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Heterounión doble (DH)

2eV

2eV1,4eV

2-1,4Q(Uo-U)

N+

++++

+

p P

–––

–AlGaAs GaAs AlGaAs

U

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

Page 33: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Heterounión doble (DH)

2eV

2eV1,4eV

2-1,4Q(Uo-U)

No hay reabsorción

El índice de refracción es menor cuanto mayor es Eg

N+

++++

+

p P

–––

–AlGaAs GaAs AlGaAs

U

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

Page 34: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Características Generales

Heterouniones. LEDs de alta eficiencia

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Materiales III-V Binarios

Cte. de la red cristalina (A)

En

erg

ía d

e la

ban

da

pro

hib

ida

(eV

)

Lo

ng

itu

d d

e o

nd

a (m

)

1,44eV(860nm)

2,26V (549nm) (Se añade N, 565nm)(Se añade Zn, O, 700nm)

Page 36: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Cte. de la red cristalina (A)

En

erg

ía d

e la

ban

da

pro

hib

ida

(eV

)

Lo

ng

itu

d d

e o

nd

a (m

)

Sistema AlGaAs

AlxGa1-xAs

Directo x<0,43

1,42eV

2,17eV

Materiales III-V Ternarios

Page 37: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Cte. de la red cristalina (A)

En

erg

ía d

e la

ban

da

pro

hib

ida

(eV

)

Lo

ng

itu

d d

e o

nd

a (m

)

Sistema AlGaAs

AlxGa1-xAs

Directo x<0,43

1,42eV

2,17eV

Materiales III-V Ternarios

AlAs

GaAs 904 nm

650 nm

11-x

x

X es la proporción de ALUMINIO

Page 38: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Cte. de la red cristalina (A)

En

erg

ía d

e la

ban

da

pro

hib

ida

(eV

)

Lo

ng

itu

d d

e o

nd

a (m

)

Sistema AlGaAs

AlxGa1-xAs

Directo x<0,43

1,42eV

2,17eV

Correspondencia de la estructura cristalina

Materiales III-V Ternarios

Page 39: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

En

erg

ía d

e la

ban

da

pro

hib

ida

(eV

)

Lo

ng

itu

d d

e o

nd

a (

nm

)

Cte. de la red cristalina (A)

Materiales III-V Cuaternarios

Page 40: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Materiales más utilizados

GaAs 870-900nm 10%

SiC 460-470nm 0,02%

GaP (Zn-O) 700 nm 3%

GaP (N) 565 nm 0,1%

Bin

ario

s

AlxGa1-xAs (x<0,4) 640-870nm 5-20%

GaAs1-yPy (y<0,45) 630-870nm <1%

GaAs1-yPy (y>0,45) 560-700nm <1%Tern

ario

s

In0,49AlxGa51-xP 560-700nm 1-10%

In1-xGaxAsyP1-y 1000-1600nm >10%Cu

at.

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LED´s DE ALTA EFICIENCIALOS RENDIMIENTO LUMINOSOS EMPIEZAN A SER ELEVADOS Y A COMPETIR CON LAS LÁMPARAS FLUORESCENTES

FLUORESCENTES

INCANDESCENTES

LED BLANCO LUMILED16 lm/W

Page 42: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: MATERIALES ADECUADOS

eVhnm

5.1239

h = SALTO ENERGÉTICO EN EL SEMICONDUCTOR

ALEACIONES TERNARIAS O CUATERNARIAS: MEZCLA DE Al, Ga, In EN EL CÁTODO Y MEZCLAS DE As, P, N EN EL CÁTODO SON LA BASE DE LOS LED ACTUALES

Page 43: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: EFICIENCIAS Y COLORES

Page 44: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: POSICIÓN EN EL DIAGRAMA CROMÁTICO CIE 1931

Page 45: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: ESPECTROS

Page 46: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

LED AZUL DE ALTA EFICIENCIA

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

LED VERDE DE ALTA EFICIENCIA

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

LED ROJO DE ALTA EFICIENCIA

Page 47: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: REGIÓN ALCANZABLE CON LA MEZCLA DE COLORES

Page 48: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS

BÁSICAMENTE HAY DOS FORMAS DE OBTENER LUZ BLANCA:

1.- MEZCLA DE LUZ DE DIFERENTES COLORES

2.- UTILIZAR FÓSFOROS PARA OBTENER O COMPLEMENTAR EL COLOR-CON LA LUZ AZUL OBTENER LUZ ROJA-CON LUZ UV OBTENER LUZ BLANCA (TRIFÓSFOROS)

Combinación deLED de Alta EficienciaRojos, Verdes, Azules

LuzAzul

LuzRoja

Fósforos

Page 49: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LuzAzul

LuzRoja Fósforos

Longitud de onda [nm

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS

MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)

Page 50: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)

Page 51: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Espectro de LEDs Blanco-Frío (Cool-White): 6500K

Características Ópticas

Fuente: Lumileds

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

Page 52: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Espectro de LEDs Blanco-Neutro (Neutral-White): 4000K

Características Ópticas

Fuente: Lumileds

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

Page 53: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Espectro de LEDs Blanco-Caliente (Warm-White): 2700K

Características Ópticas

Fuente: Lumileds

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

Page 54: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Familia Luxeon Rebel – Philips Lumileds.Fósforo determina CCT y eficiencia.

Page 55: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS

YAG:Ce3+

Al In Ga N460 nm

Page 56: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS

• Luz blanca:

LEDs RGB: Ventaja: mayor eficiencia;

Desventaja: dificultad de control - temperatura.

LEDs recubiertos por fósforo:

Ventaja: simplicidad de control;

Desventaja: menor eficiencia.

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Page 58: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Fuente: Lumileds

Característica VxI típica de un LED de potencia

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Page 59: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Modelo estático para el LED de potencia

Modelo estático simplificado

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

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Cuando se polariza directamente el LED, la corriente y la tensión presentan una relación exponencial. Pequeñas diferencias en la tensión dan lugar a grandes corrientes, y por tanto a más intensidad luminosa Además la tensión de codo de los LEDs tiene una tolerancia a la hora de fabricarlos,por ello los LED se regulan en corriente y no en tensión.

Page 61: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

DIODOS LED COMO CARGA:

Intensidad relativa vs Longitud de Onda (λ)

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Page 62: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

DIODOS LED COMO CARGA:

Vc

Vc

1ª Aprox 2ª Aprox

RF

0.816

50F

VR

mA

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Page 63: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

DIODOS LED COMO CARGA (DIODO DE POTENCIA):

Vc

2ª Aprox

RF

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Problema: Rizados de Corriente Condensadores Electrolíticos

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Circuitos con LED:

VcVc

Ve

2ª Aprox 1er Circuito 2º Circuito

Vc

Ve

RF es pequeña

RF

R

F

e cD

F

V Vi

R

e cV V

RF

R

Si

ID es grande con tensionespoco mayores a la tensión de codo

e cD

F

V Vi

R R

FR R e cD

V Vi

R

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Page 65: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Iluminación General: Múltiples LEDs

Luz Generada es proporcional a la corriente Todos LEDs deben tener la misma

corriente

Cómo conectarlos?

Serie

Paralelo

Serie y Paralelo

Page 66: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Circuitos con LED: Conexión de varios LEDs

SERIE Pasa la misma corriente

Mismo flujo luminoso PARALELONo pasa la misma corriente(Distintas tensiones de codoy resistencia directa).

R

VC

C

CCViR

Distinto flujo luminoso

Si se estropea uno dejan de funcionar los otros

Principal Inconveniente:Principal ventaja:

Si se estropea uno funcionan los otros

VC

C

R

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

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Circuitos con LED:

SERIE Pasa la misma corriente

Mismo flujo luminoso

Tiras de LED conectados en serie:

Ventajas: Pasa la misma corriente por todos los LED, misma intensidad luminosa por todos.Más eficiente.Pérdidas = VBalasto * ILED Puede implementar facilmente con una topología elevadora.

Desventajas: Se necesita elevar mucho la tensión si se ponen muchos led, problemas de EMI.Los semiconductores deben soportar mucha tensión, más caros, menos eficientes.

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

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Circuitos con LED: Conexión de varios LEDs: DIACs, ZENERs

Si se estropea uno funcionan los otros

LED LAMP.Remplazan a las bombillas incandescentes y halógenas

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

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Circuitos con LED:

Tiras de LED conectados en paralelo:Ventajas: Es interesante si se utilizan bombas de carga Se pueden utilizar semiconductores de poca tensión, más barato.Desventajas: Debe regularse la corriente de cada LED, para asegurar que todos emiten con la misma intensidad luminosa. Pérdidas = N * VBalasto * ILED

PARALELONo pasa la misma corriente (Distintas tensiones de codo y resistencia directa).

Distinto flujo luminoso

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

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Circuitos con LED:

Tiras de LED en serie y conectadas en paralelo:

Ventajas: Es interesante si se desean utilizar muchos LED. Solo una rama está regulada en corriente. La caida de tensión en los otros diodos fija la corriente en las otras ramas.

Desventajas: Las diferencias de tensión de los diodos hace que se perciba mayor brillo en unas ramas que en otras.

NOTA: El ojo humano empieza a percibir diferencias en el brillo, cuando entre las ramas hay una diferencia de corriente de un 3%.

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS – EJEMPLOS DE CONEXIÓN

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS – EJEMPLOS DE CONEXIÓN

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS – EJEMPLOS DE CONEXIÓN

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Variación de la Intensidad Luminosa (Dimming)

Disminución del valor medio de la corriente directa (método simple)

Ventajas:

Ahorro de Energía

Aumento de la Vida de los LEDs

Métodos:

Modulación en Amplitud (AM)

Modulación por Ancho de Pulso (PWM)

Modulación Binivel

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Modulación en Amplitud

Simple

Eficiente (temperatura)

Desvío Cromático

Diferencias entre los LEDs

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Modulación por Ancho de Pulso

Simple

Menos Eficiente que AM

Menor Desvío Cromático que AM

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Modulación Binivel

Complejo

Une las características de AM y PWM

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Comparación entre los Métodos

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Comparación entre los Métodos

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Comparación entre los Métodos

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Características Térmicas

Las características térmicas son fundamentales en el proyecto de un sistema de

iluminación basado en LEDs. Dependen directamente de la temperatura:

Eficiencia

Vida útil

Flujo luminoso

Tensión directa del LED

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Características Térmicas

Variación relativa de tensión directa y flujo luminoso com la temperatura

Fuente: Osram Opto Semiconductors GmbH

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Características Térmicas

Impacto de la temperatura de junción en la vida util del LED

Fuente: Lumileds

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Características Térmicas

Impacto de la temperatura de junción en la vida util del LED

Fuente: Lumileds

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Características Térmicas

Respuesta de distintos tipos de LEDs em función de la temperatura.

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Características Térmicas

Respuesta de distintos tipos de LEDs em función de la temperatura.

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Proyecto Térmico

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Proyecto Térmico

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Proyecto Térmico

Incandescente

Fluorescente

HID

LED

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

8%

21%

27%

15%

73%

37%

17%

0%

0%

0%

19%

0%

19%

42%

37%

85%

Conversión de Energía en Fuentes de Luz Blanca

Luz VisívelInfravermelhoUltravioletaCalor (Condução+Convecção)

Fuente: Thermal Managment of White Light – U. S. Department of Energy (2009)

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Proyecto TérmicoPhoto-Electro-Thermal (PET) Theory

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Proyecto TérmicoPhoto-Electro-Thermal (PET) Theory

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Proyecto TérmicoPhoto-Electro-Thermal (PET) Theory

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Una pequeña variación en Td causa gran variación de flujo

Inclinación pequeña grandes variaciones de Pd causan pequeñas variaciones de flujo

Aumentando la potencia, disminuye el flujo (no hay interés)

• Relación entre las variables luminosas, térmicas y eléctricas.

Pd*

ϕv

Pd

Proyecto TérmicoPhoto-Electro-Thermal (PET) Theory

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Pd*Pd

ϕv

Proyecto TérmicoPhoto-Electro-Thermal (PET) Theory

• Relación entre las variables luminosas, térmicas y eléctricas.

Page 95: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Pd*Pd

ϕv Rhs=0

Proyecto TérmicoPhoto-Electro-Thermal (PET) Theory

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Pnom

ϕv

Pd

Mejora en el sistema de arrefecimiento

Punto óptimo de operación

Proyecto TérmicoPhoto-Electro-Thermal (PET) Theory

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Simulación en FEM

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Simulación en FEM

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Simulación en FEM

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Convección

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Resistencia

Transistor (Región Lineal)

Convertidor Conmutado

Formas de Accionamiento de Clusters de LEDs

Elemento Limitador de Corriente

Accionamiento y Control

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Fuente de tensión continua con resistencia em serie.

Manera más simple de accionar un LED;

Corriente en los LEDs igual a la corriente por

la resistencia;

Bajo coste;

No hay control de corriente por los LEDs.

Resistencia en serie con los LEDs

Accionamiento y Control

Page 105: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

12 V1 W

3,2 W

Accionamiento y Control

Fuente de tensión continua con resistencia em serie.

Manera más simple de accionar un LED;

Corriente en los LEDs igual a la corriente por

la resistencia;

Bajo coste;

No hay control de corriente por los LEDs.

Resistencia en serie con los LEDs

Page 106: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Tensión de salida menor que la de entrada;

Circuito simple;

Pocos componentes;

Convertidor Lineal con Corriente Fija (Cervi, 2005)

Pequeño e de bajo coste;

Control de la corriente;

Baja eficiencia.

Convertidor Lineal con Dimming (Oliveira, 2007)

Regulador Lineal

Accionamiento y Control

Page 107: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Tensión de salida menor que la de entrada;

Posibilidad de quitar el condensador de salida;

No comparte la misma referencia entre fuente de entrada, interruptor y carga.

Circuito simple;

Pocos componentes;

Pequeño y de bajo coste;

Convertidor Buck

Convertidores Conmutados - Buck

Accionamiento y Control

Page 108: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Tensión de salida mayor que la de entrada;

Corriente de entrada continua;

Necesidad del condensador de salida;

Comparte la misma referencia entre fuente, carga e interruptor.

Circuito simple;

Pocos componentes;

Pequeño y de bajo coste;

Convertidor Boost

Convertidores Conmutados - Boost

Accionamiento y Control

Page 109: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Tensión de salida mayor o menor que la de entrada;

Polaridad invertida;

Circuito simple;

Pocos componentes;

Pequeño y de bajo coste.

Necesidad del condensador de salida No comparte la misma referencia entre fuente, carga e interruptor.

Conversor Buck-Boost

Convertidores Conmutados – Buck-Boost

Accionamiento y Control

Page 110: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Resultado de la conexión serie de dos convertidores reductores;

Alta tasa de reducción de la tensión de entrada (VO= Vin x D2);

Alta tensión en el interruptor.

Convertidor Buck Quadrático

Convertidores Conmutados – Buck Quadrático

Accionamiento y Control

Page 111: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Formado por un convertidor Boost en serie con un convertidor Buck;

Tensión de salida con polaridad invertida con relación a la fuente;

Corrientes de entrada y salida continuas.

Convertidor Cùk

Convertidores Conmutados – Cùk

Accionamiento y Control

Page 112: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Formado por un convertidor Boost en serie con un convertidor Buck-Boost;

Misma referencia para fuente, interruptor y carga;

Corriente de entrada continua.

Convertidor SEPIC

Convertidores Conmutados – SEPIC

Accionamiento y Control

Page 113: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Formado por un convertidor Buck-Boost en serie con un convertidor Buck;

Tensión de salida con misma polaridad de la entrada;

Se puede quitar el condensador de salida.

Convertidor Zeta

Convertidores Conmutados – ZETA

Accionamiento y Control

Page 114: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Accionamiento y Control

Accionamiento desde Red: Principal problema – condensadores electrolíticos.Corriente media en el LED = 700mACorriente de pico en el LED = 1 a 1,5A

Solución:Desarrollo de nuevas topologías

Ejemplo de Simulación

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Accionamiento y Control – Minimización del Condensador

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Accionamiento y Control – Minimización del Condensador

Page 117: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

PLEW20W220ESSBLI Vida útil: 8.000 horas IRC: 82 Eficiencia Luminosa 55 lm/W

CDM-T35W/830 Vida útil: 12.000 horas IRC: 81 Eficiencia Luminosa 87 lm/W

LUXEON K2 Vida útil: 50.000 horas IRC: 70 Eficiencia Luminosa: 60 lm/W

Iluminación de Interiores

Fuente: Philips/Lumileds

Aplicaciones

Page 118: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Fines arquitectónicos; Ángulo de apertura; Durabilidad.

Fuente: Philips/Brasil

Iluminación de Interiores

Aplicaciones

Page 119: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Lámpara Compacta Empleando LEDs de Alto-Brillo; Lámpara de Emergencia Compacta.

Fuente: GEDRE

Iluminación de Interiores

Aplicaciones

Page 120: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Fuente: Philips/Brasil

Iluminación de Interiores

Aplicaciones

Page 121: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Iluminación de emergencia tradicional

Iluminación de Emergencia

Aplicaciones

Page 122: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Iluminación de emergencia distribuida Iluminación de emergencia compacta

Fuente: GEDRE

Iluminación de Emergencia

Aplicaciones

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Lámpara Fluorescente

Eficacia luminosa (80-120 lm/W)

IRC (20-39)

Vida útil (25.000 horas)

Lámpara HPS

Iluminación Pública

Aplicaciones

Page 124: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Iluminación Pública en Brasil

Aplicaciones

Tipo de Lámpara Cantidad PercentagemHPS 9.294.611 62,93%

Vapor de Mercurio 4.703.012 31,84 %Mista 328.427 2,22 %

Incandescente 210.417 1,42 %MHL 108.173 0,73%Otras 5.134 0.03%Total 14.769.309 100%

Fuente: Eletrobrás 2008

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Potencia consumida: 28 W. Rango de temperatura: -25 °C até +70 °C Vida útil: 50.000 horas. Intensidad Luminosa: 1320 lúmenes.

Fonte: Gemma Lighting and Displays. Part of the Gemma Group

Iluminación Pública

Aplicaciones

Page 126: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Iluminación Pública: comparativo HPS x LEDs (Dialux)

Aplicaciones

LEDs: - Mejor IRC- Mayor vida útil- Mejor distribución de luz- Ventaja en condición mesópica

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LEDs

Posibilidad de utilizar energía solar debido

al menor consumo y funcionamiento em

corriente continua.

Iluminación Pública

Aplicaciones

Page 128: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Elevada durabilidad; Posibilidad de mejora en el diseño; Variación de la intensidad luminosa; Todas luces en un único componente; Visión escotópica.

Iluminación Automotora

Aplicaciones

Page 129: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Temperatura de color de 5.500K

contra los 4.000K da lámpara de

descarga en alta presión.

Iluminación Automotora

Cadillac Escalade Platinum, 2008

OSTAR Headlamp LEDs, OSRAM

Aplicaciones

Page 130: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

Fuente: Martins BM, de Carvalho M, Moreira ME, Lopes JM. Efficacy of new microprocessed phototherapy system with five high intensity light emitting diodes (Super LED).

Tratamiento de Estrías. HPV (Papiloma Virus Humano). Hiperbilirrubinemia neonatal.

Iluminación Terapéutica – LEDterapia

Aplicaciones

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Habitación de un Hospital

Aplicação de LEDs nos Tecidos Humanos e sua Interação Terapêutica”, Moreira, M. et al.

Iluminación Terapéutica – LEDterapia

Aplicaciones

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Teóricamente puede atingir 100% de transformación de la electricidad en luz;

Penetración de 5% en el mercado de iluminación.

Fonte: George Zissis e Eric Castano. “Perspectivas e Obstáculos ao uso do Led Branco como fonte de Luz”.

Evolución del Rendimiento (lm/w)

Tendencias Futuras

Page 133: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

El flujo es multiplicado por 20 a cada 10 años, por otro lado, el precio disminuye 10 veces en el mismo periodo.

Evolución del Rendimiento (lm/w)

Tendencias Futuras

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Mejorar materiales para sacar el máximo de luz del

semiconductor;

Mejora de substratos y reducción de costes;

Mejora de equipos de fabricación;

Desarrollo de nuevos fósforos.

Avanzos Necesarios

Tendencias Futuras

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La tecnología LEDs de polímeros orgánicos (P-OLED) fue inventada por el

Cavendish Laboratory en la Universidad de Cambridge en 1989;

Permite substratos flexibles y transparentes.

OLED – Organic LED

Light-Emitting Polymer (LEP)

Tendencias Futuras

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Junción semiconductora polimérica, que posee las

características semejantes a las junciones basadas en Si y Ge.

poli(p-fenileno vinilideno)

OLED – Organic LED

Tendencias Futuras

Page 137: Ponentes:Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012 Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4  Diodos Emisores de Luz

OLED – Organic LED

Tendencias Futuras

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Fabricantes

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CONCLUSIONES

LEDs realmente son el futuro de la iluminación;

Tecnología en desarrollo;

Manejo térmico;

Circuitos de alimentación: Condensadores Electrolíticos, Eficiencia;

Previsión de Mercado: Mil millones de dólares en 2014.

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F i l t r oE M I

C a p a c i t o r+

F i l t r o

C o r r e ç ã oF a t o r

P o t ê n c i a I n v e r s o r F i l t r o

R e s s o n a n t e1 1 0 / 2 2 0 V

6 0 H zL â m p a d a ( s )

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