EXPERIMENTOS | Espectrofotômetro Remoto Automatizado (ERA)

Teoria

OBJETIVOS

Objetivos gerais

Legenda - Componentes das montagens utilizadas na obtenção do espectro: A. Emissor Infravermelho para transmissão do sinal vindo da saída serial. B. Lâmpada de LED, com prolongador (para evitar dispersão da luz para outros lugares) C. Suporte com Mecanismo de fenda simples (de 0,2mm da 3B Scientific), usado para colimar o feixe. D. Módulo Ponte H, com CI L298N, para controle do giro do motor. E. Arduino MEGA 256. F. Trilho em que estão colocados: G. Espelho refletor do feixe, H. Lente Convergente de distância focal (f) = 50mm e I. Motor de Passo (Shinano Kenshi, modelo EM-483 (Shinano Kenshi, Co, 2016) – ângulo de passo básico de 1,8º/passo), colocado acima de dissipadores para evitar superaquecimento; no motor está colocada a rede de difração (J, de 1000 linhas/mm), na qual, em sua parte de cima se encontra o (K) sensor infravermelho de proximidade e distância (SHARP, modelo GP2Y0A21YK0F), para detecção da distância entre anteparo e rede de difração (necessário para o cálculo de comprimento de onda). L. Anteparo, para projeção do espectro difratado. M. Sensores – M1: Sensor conversor de frequência TSL235R, para detecção das irradiâncias das componentes difratadas; M2: Sensor detector de cores (TCS 34725, Adafruit®) sobreposto ao suporte fixado no anteparo. N. câmera webcam de IP Fixo (D-Link), para visualização remota do experimento. O. Fonte de alimentação para alimentação do motor (5V, 1,4A). Finalmente, em P, está presente o relé digital, (montado sobre a estrutura do experimento, Q), colocado para permitir o desligamento físico da lâmpada quando do fim da coleta de dados.

Este trabalho tem como principal objetivo utilizar o Arduino® no controle e tomada de dados de um espectrofotômetro montado a partir da reciclagem de várias estruturas: a citar, a lâmpada de LED foi adaptada para os propósitos deste experimento, bem como um trilho antigo de máquina fotográfica, que serviu de base para o trilho do experimento, além da reciclagem de motor de passo de uma impressora em desuso, que serviu para o motor de passo que faz o giro da rede de difração, esta comprada juntos aos sensores conversor de frequência,detector de cores; a webcam de IP fixo junto com o espelho reflexivo foi aproveitado de outros experimentos, bem como a estrutura que serve de base ao experimento, que nada mais é do que a carcaça de uma CPU antiga

Este experimento visa estudar o comportamento da superposição de cores, isto é, quais são as componentes das cores primárias que formam a cor proveniente da luz escolhida pelo usuário, luz esta proveniente de um LED RGB. Assim, pretendemos nãoapenas determinar os comprimentos de onda destas cores respectivas a cada cor escolhida do LED, mas também estudar os padrões de cores que formam cada cor, ou seja, entender melhor o conceito de cor, como elas se combinam, e entender melhor como o olho humano entende o conceito de cor. Para tanto, utilizamos a ideia de difração do espectro, no caso, dos comprimentos de onda em função da variação de luminosidade, do espectro difratado por uma rede de difração.

Além disso, uma das intenções deste projeto é justamente difundir o uso do Arduino para fins educacionais, na área de Física, como forma de incentivar as abordagens de conteúdos de Física Moderna, como difração e analise de espectros, nas séries do Ensino Médio.

Este experimento pretende contribuir no projeto e desenvolvimento do Weblab da PUC/SP constituído por uma equipe multidisciplinar, com a finalidade de dispor o experimento para controle e sensoriamento remoto, utilizando para tanto plataformas virtuais. Com o experimento sendo controlado remotamente e automatizado, permite-se maior interatividade do público com o experimento, dando maior liberdade ao estudo do fenômeno da espectrofotometria e da superposição de cores.

Objetivos Específicos

Este projeto pretende desenvolver diferentes recursos didáticos que possibilitem não apenas ensinar conceitos Físicos, mas também que possa trazer ao público, um maior domínio da tecnologia.

Um dos aspectos inovadores deste projeto está associado ao desenvolvimento de um laboratório de controle e sensoriamento remoto, voltado ao ensino de Ciências, inteiramente apoiado em uma plataforma de código aberto (open-source) em hardware e software conhecida e difundida na internet - Arduino.

O projeto alia-se ao desenvolvimento de recursos destinados ao ensino de ciências em nível fundamental/médio. Para isso pretendemos criar aplicativos que possibilitem manipular e interagir com experimentos remotos, utilizando plataformas e interfaces de programação visual, integradas à interface Arduino. Estes aplicativos deverão possibilitar que usuários destas plataformas (tal qual o S4A), de diferentes faixas etárias, possam manipular os equipamentos através de mídias interativas adaptadas a sua realidade, não apenas com o experimento em si, mas também com versões quie possam ser montadas na própria casa do usuário, no espírito “Faça Você Mesmo”.

Espectrofotômetro e Superposição de cores

O experimento proposto é baseado na análise por feixe transmitido, tal qual esquema mostrada no item Esquema Geométrico. Neste trabalho optou-se por utilizar um espectrofotômetro baseado no estudo do feixe transmitido, já que o intuito foi possibilitar a reciclagem da estrutura de várias peças em uma montagem colocada sobre a carcaça de uma CPU em desuso:

Assim o espectro obtido por difração é projetado em uma tela e o motor de passo com o giro da rede de difração, permite a varredura das componentes espectrais até que cheguem ao fotosensor (Conversor de Frequência), associando a variação de luminosidade ao comprimento de onda da radiação. Sinais de tensão vindos do conversor de frequência, e controle do motor de passo são realizados através do Arduino. No caso, o Arduino junto a uma ponte H permite o controle efetivo do motor, dado que a alimentação de corrente pelo Arduino é muito baixa para permitir o giro do motor.

Em detalhe, o trilho sobre o qual sçao colocadas as peças do espectrômetro que permitem que o feixe seja colimado e posteriormente difratado pela rede de difração, a qual gira conforme o giro do motor de passo.

Além disso, na posição da projeção da fenda central da cor selecionada da lâmpada de LED RGB, é possível se perceber a cor da lâmpada. Isso evidencia que a cor escolhida nada mais é do que uma superposição das cores primárias, vermelho, verde e azul, as quais são as cores difratadas pela rede de difração, conforme figura baixo.

Legenda - Imagem formada na projeção, a partir da difração da luz branca na rede de difração. Pela imagem pode-se observas as componentes vermelha, verde e azul da cor branca da lâmpada de LED, bem como a projeção da mesma na posição em que foi colocado o sensor responsável pela detecção de cores (TCS34725).

Mais sobre a superposição de cores e estudo dos padrões de adição e subtração de cores você pode ver na aba de Estudo das Cores.

Esquema geométrico e Funcionamento do Espectrômetro

Legenda - o ponto F representa a fenda, θ representa o ângulo de projeção do feixe difratado, x é a distância entre o ponto central (máximo da interferência construtiva) e as raias do espectro (na região de primeira ordem), e D é a distância entre a rede de difração (montada sobre o motor de passo) e o Sensor detector de cores (TCS34725), colocado na posição da projeção da fenda. Nesta montagem o Conversor de Frequência (TSL235R) permanece fixo, de modo que as componentes espectrais, com o girto do motor, chegam até ao local do sensor detector de cores.

O esquema acima mostra como é possível se determinar o comprimento de onda da radiação em função do desvio x observado na tela, via giro da rede de difração (montada sobre o motor de passo), a qual faz com que as componentes (que descrevem o desvio no eixo x) cheguem ao sensor.

Do ângulo formado entre as distâncias D e L

(1)

Se

(2)

Lembrando que os valores de x são determinados com base em cálculo que consideram os valores coletados pelo sensor de distância SHARP. Então, temos

(3)

Para a determinação do comprimento de onda da radiação devemos determinar o ângulo θ para o qual a radiação de comprimento de comprimento de onda λ produz um ponto de máxima intensidade. Fixando uma dada distancia D entre a rede de difração e a tela, podemos obter os valores de comprimentos de onda:

(4)

E coletando os dados de irradiância com o conversor de frequência, junto aos valores de comprimentos de onda, obtemos os dados do espectro da luz visível. E a partir daí, entra a Segunda Parte: Disponibilizar os dados e acesso remotamente. Mas como se faz isso?

O espectrofotômetro com Acesso Remoto

Neste sentido, o atual experimento pretende fazer o acesso e controle do experimento, pelo usuário, de forma remota, através de uma interface gráfica de controle, em php, que se comunica com os dados que são repassados à saída serial, a qual recebe os dados pela programação do Arduino.

Interface de Controle do Experimento. Por aqui o usuário acessa a lâmpada de LED e giro do motor de passo

Os dados coletados pela interface de controle são repassados a um arquivo texto, e deste repassados diretos ao gráfico, obtido através de uma página JavaScript, e dentro desta interface de visualização também é possível se observar os valores das respectivas componentes R, G e B, associadas a cor selecionada pelo usuário, e que são detemrinadas pelo sensor detector de cores. Estas duas interfaces (de controle e de visualização das duas séries de dados – comprimento de onda vs irradiância e valores das componentes R, G e B) são disponibilizadas no servidor WebDeusto o qual organiza a fila de usuários, e permite a visualização do experimento ocorrendo em tempo real, devido a presença de uma câmera filmando o experimento.

Página de acesso ao experimento. Para acessá-lo, e saber mais, visite Nosso Experimento

Assim, com a estrutura de rede remodelada e readequada aos propósitos deste experimento, pode se estabelecer a comunicação entre o experimento, automatizado pela programação na IDE do Arduino, a um servidor central (que no nosso caso é o computador), para que sejam disponibilizados dados de entrada para o servidor, para que o usuário remoto possa acessar e controlar remotamente o experimento.

contato: jneresjr@gmail.com

Estudo das Cores

Estudo dos Padrões de Cores, Formação das Cores e Aplicações

Estudos da formação de cores e importância dentro da Física, aspectos em comparação com biologia e fotografia – todo o texto abaixo foi adaptado e imagens retiradas de acordo com o site http://www.fisica-interessante.com/fisica-ondas-cores.html --

Espectro Eletromagnético e Cores

No contexto da Física, antes de estudar as cores é interessante nos familiarizar com a luz visível, uma pequena porção do espectro de radiação eletromagnética (Figura 1).

Figura 1 - Localização da luz, radiação visível, no espectro da radiação eletromagnética. Disponível em http://www.fisica-interessante.com/fisica-ondas-cores.html. Acessado em 16 de julho de 2016.

A luz visível constitui uma pequena parte (entre 400nm, para o azul, e 700nm, para o vermelho) do espectro de radiação eletromagnética, entre o ultravioleta (antes dos 400nm) e o infravermelho (após os 700nm). As cores se distribuem entre essas frequências, e a soma de todas elas resulta na luz branca, policromática. O espectro eletromagnético como um todo, abrange uma gama de frequências que se estende por, aproximadamente, 15 ordens de grandeza. Dentre outras regiões conhecidas, estão as ondas de rádio e TV, as micro-ondas, (antes dos infravermelhos); os raios X e os raios gama (após o ultravioleta), estas as mais energéticas e penetrantes.

Por outro lado, segundo a Teoria das Cores, cor não é a mesma coisa que as frequências vibratórias da luz. Cor é um conceito fisiológico, que define como o cérebro interpreta os sinais elétricos vindos dos olhos, os quais são resultados da remissão da luz, em um objeto, a qual é proveniente de uma fonte luminosa. Portanto, a cor sendo associada à porção visível do espectro, trata-se de um conceito subjetivo, já que um mesmo comprimento de onda pode ser percebido de diferentes formas por pessoas (ou animais) diferentes, e que pode ser influenciado por disfunções visuais ou mesmo cerebrais.

Um outro motivo, embora no espectro da Figura 11 se possa associar a cada cor uma frequência, do vermelho ao violeta, há várias cores, ditas não espectrais, por não pertencerem ao espectro do arco-íris. A formação dessas cores, não-espectrais, por sua vez, dependem da adição de cores do espectro.

Adição de Cores

No século XIX, Maxwell, em seu triângulo de cores (formação advinda da teoria de Young, define as cores percebidas pelos cones existentes no olho humano, vermelho (R), verde (G) e azul (B), e por isso chamadas de primárias), demonstrara que é possível reproduzir diversas cores como combinações aditivas porções diferentes de três cores primárias (R, G e B). Assim, conforme o diagrama de cores abaixo, por exemplo (Figura 2):

Figura 2: Diagrama de combinações aditivas de cores “primárias”. Disponível em http://www.fisica-interessante.com/fisica-ondas-cores.html. Acessado em 16 de julho de 2016;

• Verde e Vermelho produzem a sensação de Amarelo;
• Azul e Verde produzem a sensação de Ciano (verde-água);
• Vermelho e Azul produzem a sensação de Magenta (lilás ou fúcsia);

Essa técnica é utilizada nas telas de computador e de televisão, através da qual, apenas a partir de pixels das cores básicas vermelho, verde e azul, podem-se gerar milhares de cores diferentes (Figura 3).

Figura 3 – Formação das diversas cores, através de pixels com as três cores primárias, com a visualização no monitor (à esquerda) e mecanismo de geração dos pixels com as diferentes formações com combinações de cores primárias (à direita). Disponível em http://www.fisica-interessante.com/fisica-ondas-cores.html. Acessado em 16 de julho de 2016.

De acordo com Schrödinger (1989), a tabela de todas as misturas de cores, à qual se atribuiu o nome de “triângulo de cores”, foi elaborada por motivos empíricos, por testes que apresentavam um sentido à época para artistas, mas não apresenta quaisquer relações com os comprimentos de onda (SCHRÖDINGER, 1989).

Para os profissionais relacionados às artes visuais, o triângulo de cores apresenta importância relativa às próprias misturas de cores. Este triângulo inclui, além das cores espectrais apresentadas anteriormente, em dois lados do triângulo, que vão do vermelho ao violeta - passando pelo amarelo, azul e verde -, também cores como a púrpura, que fica no terceiro lado do triângulo, o qual inclui 'cores' que não estão no espectro do arco-íris e que, por isso, são chamadas de “cores não-espectrais”.

Figura 4 – Triângulo de cores relativo à formação espectral, das misturas de cores primárias. Percebe-se também a formação de cores não relacionadas aos espectros, chamadas de cores não-espectrais. Disponível em Retirado de http://www.fisica-interessante.com/fisica-ondas-cores.html. Acessado em 16 de julho de 2016.

Por coincidência, olhando para o espectro (Figura 4), o amarelo (495 THz) fica entre verde (550 THz) e vermelho (440 THz), bem como, o ciano (595 THz) fica entre azul (645 THz) e o verde (550 THz). Mas, é de se notar que o magenta (um tom mais saturado de púrpura), embora fique entre o vermelho (440 THz) e o violeta (760 THz), como dito, está no terceiro lado do triângulo e não tem um comprimento de onda ou frequência definidos; a frequência intermédia daquelas cores deveria corresponder ao verde (600 THz). Como aponta Schrödinger (1989):

Da combinação do ‘vermelho’ e do ‘azul’ das duas extremidades do espectro, por exemplo, resulta ‘púrpura’, cor que não é dada por nenhuma luz espectral simples. Além disso, a referida tabela, o triângulo das cores, varia ligeiramente, e de pessoa para pessoa e difere consideravelmente em alguns indivíduos como tricromáticos anômalos (que não sofrem de cegueira de cor). (SCHRÖDINGER, 1989)

Percepção das cores

Em 1850, influenciado pela obra Zur Farbenlehre (Da Teoria das Cores), de Goethe, Helmholtz desenvolveu a teoria de Young , segundo a qual, nossos olhos têm células, chamadas de cones (o olho humano possui cerca de 6 milhões de cones, localizados na região da retina), sensores sensíveis às cores, de três tipos, correspondendo a três faixas de cores:

• R, sensíveis aos vermelhos e aos laranjas;
• G, sensíveis aos amarelos e aos verdes;
• B, sensíveis aos azuis e aos violetas.

Figura 5 – Picos de respostas das ondas curtas (S), médias (M) e longas (L), referente aos cones, às diferentes cores primárias (R, G e B). Disponível em http://www.fisica-interessante.com/fisica-ondas-cores.html. Acessado em 16 de julho de 2016.

No gráfico acima (Figura 5), são evidenciados os picos de resposta das ondas relacionadas aos diferentes fotorreceptores. No caso, os fotorreceptores (cones) dos olhos humanos tem picos de sensibilidade para as ondas curtas (S, 420–440 nm – cones para o azul, B), médias (M, 530–540 nm – cones para o verde, G), e longas (L, 560–580 nm – cones para o vermelho, R).

Com isso, um estímulo luminoso que excite simultaneamente os cones R e G é interpretado como ‘luz amarela’, enquanto um que excite os G e B, como ‘luz ciano’. Deficiências nesses cones causam uma visão distorcida das cores, afecção denominada Daltonismo.

Como temos três tipos de cones, nossa espécie é dita tricromática. Por outro lado, outras espécies podem ter menos ou mais tipos de cones. Algumas variedades de abelha têm visão tricromátrica, porém com um cone sensível ao ultravioleta em vez do cone sensível ao vermelho, o que as ajuda a distinguir variedades de flores. A maioria dos mamíferos é dicromata, isto é, possui apenas dois tipos de cones sensíveis à cor. Certos pássaros, répteis e anfíbios são tetracromatas e acredita-se que os pombos são pentacromatas, enquanto estomatópodes como, por exemplo o Tamarutaca ou lagosta-boxeadora (Odontodactylus scyllarus), podem ter até doze receptores de cor diferentes, permitindo-lhes enxergar desde o infravermelho ao ultravioleta, justamente devido às profundezas que vivem (cerca de 40m), o que faz com que pouca luz chegue até ela, de modo que uma quantidade maior de células para percepção de radiação compensa sua visão.

Daltonismo

Como dito acima, o Daltonismo, também chamado de discromatopsia ou discromopsia, é uma afecção, caracterizada pela visão distorcida das cores, geralmente de origem genética, causada por uma deficiência nos cones. Foi descoberta pelo químico inglês John Dalton, portador da afecção, que a descreveu em 1798 em seu artigo "Extraordinary facts relating to the vision of colours: with observations" publicado na Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester, v. 5, pp. 28-45.

Os tipos mais comuns de daltonismo são:

• Protanopia, cujo portador padece de uma ausência de cones R, resultando na impossibilidade de discriminar cores no trecho verde-amarelo-vermelho do espectro, fazendo-lhes o vermelho parecer acinzentado.
• Deuteranopia, cujo portador padece de uma ausência de cones G, resultando na impossibilidade de discriminar cores no trecho verde-amarelo-vermelho do espectro, fazendo-lhes confundir vermelhos, laranjas, amarelos e verdes. Esta variedade mais rara, afeta apenas 1% dos homens, foi a que incidiu sobre Dalton.
• Tritanopia, cujo portador padece de uma ausência de cones B, resultando na impossibilidade de discriminar cores no trecho azul-amarelo do espectro, fazendo-lhes confundir todas as cores nessa região.
• Acromatopsia, cujo portador padece de um acromatismo, uma completa cegueira para as cores, causado pela total ausência de cones ou pela ausência de dois tipos de cones, resultando na total impossibilidade de discriminar cores, fazendo-lhes ter uma visão apenas em branco-e-preto e tons de cinza. Esta variedade mais rara, afeta apenas 0,003% dos homens e 0,002% das mulheres.

São conhecidos vários testes para o diagnóstico do daltonismo, sendo o mais conhecido o teste de cores Ishihara (criado em 1917) em que as letras ou algarismos são desenhados em um cartão contendo um grande número de pontos com tonalidades que variam ligeiramente entre si, de modo que possa ser perfeitamente identificada por uma pessoa com visão normal mas dificilmente para um portador de daltonismo.

Subtração de cores (Padrão CMYK)

Por outro lado, os objetos visíveis não “possuem” cor, propriamente dita; eles têm propriedades químicas e físicas que fazem com que absorvam certos comprimentos de onda e reflitam outros comprimentos de onda, os quais chegam a nossos olhos e estimulam os cones, como explicado acima, fazendo com que percebamos os objetos com a respectiva cor (o que pode variar com a fonte luminosa utilizada), como mostra a figura 6:

Figura 6 – Subtração de cores, a partir da luz branca. Em todos os casos, mostra-se que as demais componentes da luz são absorvidas e refletida apenas a componente da cor, por subtração. Disponível em http://www.fisica-interessante.com/fisica-ondas-cores.html. Acessado em 16 de julho de 2016.

Resumidamente, um objeto

• “Vermelho” absorve a luz azul e a verde da luz branca e reflete a vermelha;
• “Verde” absorve a luz vermelha e a azul e reflete a verde;
• “Azul” absorve a luz vermelha e a verde e reflete a azul;
• “Branco” reflete todas as cores;
• “Preto” absorve todas as cores.

Combinando com o que foi visto antes, sob luz branca, pelo padrão CMYK:

• um objeto será visto como ciano (C) se refletir luzes azul e verde;
• um objeto será visto como magenta (M) se refletir luzes azul e vermelha;
• um objeto será visto como amarelo (Y) se refletir luzes vermelha e verde.
• um objeto será visto como preto (K) se não refletir (ou seja, absorver) todas as cores.

Este é o fenômeno responsável pelos corantes e tintas (pigmentos). Podem-se, assim, reproduzir muitas cores como combinações subtrativas de três cores primárias. Assim, conforme o diagrama abaixo, por exemplo (Figura 7),

• pigmento Azul subtraindo-se do pigmento amarelo produz-se o verde;
• pigmento Amarelo subtraindo-se do pigmento vermelho produz-se o laranja;
• pigmento Vermelho subtraindo-se do pigmento Azul produz-se o roxo;

Assim, para que estudemos o comportamento e formação das cores do espectro como soma das compontentes, pelo padrão aditivo, vermelho, verde e azul, preferimos adotar a espectrofotometria como experimento, justamente por se poder decompor o feixe de luz primária, decompondo através de uma rede de difração (como será visto no capítulo 10) nas diferentes cores, em intensidades variadas. Dessa forma é possível se estudar, além da formação das cores, visualizando-se o espectro e decomposição, a geração do feixe incidente, ou seja, a luz branca, ou mesmo diferentes tipos de luz, no caso, como a soma de diferentes proporções das cores primárias, através de um LED RGB

Estudo de Semicondutores - LED

LED e Semicondutores

Para que estudemos o comportamento e formação das cores do espectro como soma das compontentes, pelo padrão aditivo, vermelho, verde e azul, preferimos adotar a espectrofotometria como experimento, justamente por se poder decompor o feixe de luz primária, decompondo através de uma rede de difração (como será visto no capítulo 10) nas diferentes cores, em intensidades variadas. Dessa forma é possível se estudar, além da formação das cores, visualizando-se o espectro e decomposição, a geração do feixe incidente, ou seja, a luz branca, ou mesmo diferentes tipos de luz, no caso, como a soma de diferentes proporções das cores primárias, através de um LED RGB. Justamente por isso é interessante analisar o comportamento da lâmpada de LED, um semicondutor, que se trata de um tópico de Física Moderna.

Geração de cor em uma lâmpada de LED ¹

O LED é um semicondutor e a cor da sua luz é determinada por um processo explicaremos aqui. Entender como a produção de luz ocorre num simples LED pode ser muito importante para que se entenda mais sobre a física dos semicondutores e que rege o funcionamento de uma grande quantidade de dispositivos que vão desde os simples diodos até lasers.

Como observamos anteriormente (vide Figura 11), a luz nada mais é do que radiação eletromagnética, ou seja, é formada por ondas cujas frequências se diferenciam dos sinais comuns de rádio, TV, radar e outros, justamente, apenas pela sua frequência.

Também como já estudamos nos itens anteriores, os diversos comprimentos de onda ou frequências determinam também o tipo de sensação que nosso olho vai ter em relação à cor da luz. Ou seja, as frequências mais baixas e, portanto, os comprimentos de onda maiores correspondem à luz vermelha e laranja, enquanto que os comprimentos de onda menores e frequências mais altas correspondem a radiação azul e violeta.

A maneira mais simples de se obter luz e, assim, a emissão de radiação eletromagnética é pelo aquecimento. Aquecendo um corpo, seus átomos vibram em todas as frequências possíveis emitindo luz de todas as cores que se misturam. O sol opera desta forma e uma lâmpada comum de filamento também.

No Sol a elevada temperatura agita os átomos das substâncias (principalmente Hidrogênio e Hélio) que o formam, de tal maneira que eles passam a emitir radiação, em todos as frequências do espectro da luz visível, tornando-o branco; o mesmo ocorrendo com o filamento de uma lâmpada incandescente quando percorrido por uma corrente elétrica.

A emissão de radiação destes corpos é feita desordenadamente. Isso significa que, cada átomo ao ser agitado, emite uma pequena porção de radiação num comprimento de onda ou frequência diferente. É interessante observar que a energia emitida nestas condições também tem uma quantidade mínima, como o átomo que é a porção mínima de matéria. Isso significa que os átomos excitados sempre emitem essas porções mínima, que são denominadas "quantum" de energia. O plural de "quantum", que é uma palavra latina, é "quanta" e a teoria que explica como elas se comportam é a teoria quântica.

Assim, quando os átomos são agitados pelo calor, cada qual emite um "quantum" de energia de frequência diferente. O resultado disso é que não temos um único tipo de radiação, mas sim uma mistura que cobre todo o espectro visível e mesmo parte do que não podemos ver como das radiações infravermelhas e ultravioleta, e na verdade com uma distribuição maior pelas frequências do infravermelho, conforme Figura 1.

Figura 1: Distribuição das energias no espectro de emissão solar, da irradiância espectral (W/m²). em função dos comprimentos de onda (µm). Na linha tracejada, a curva de distribuição para o corpo negro, a 5.900K. NA linha contínua, a distribuição das irradiâncias além da atmosfera; na curva hachurada a curva de distribuição de absorção, porém ao nível do mar, e afetada pela presença dos gases da atmosfera terrestre (como vapor de água, oxigênio, ozônio, gás carbônico, etc...). Em qualquer um dos casos, percebe-se a distribuições das energias além do pico na região do visível (entre 0,4µm e 0,7µm)l, ocorrendo uma maior presença na região do infravermelho (após 0,7µm). Disponível em http://msis.jsc.nasa.gov/sections/section05.htm. Acessado em 16 de julho de 2016. (NASA, 2000).

Ludwig Boltzman estabeleceu numa fórmula a distribuição da emissão dessa radiação em função da temperatura para um corpo negro. O interessante de uma emissão de luz branca, ou que contenha todos os comprimentos de onda como a do Sol é que ela nos permite ver as cores da natureza. Assim, o que ocorre é que se iluminarmos um objeto e ele refletir apenas a luz azul, absorvendo as demais componentes, ele vai aparentar ser da cor azul, como já visto nas páginas anteriores de Teoria.

A emissão das das fontes como o Sol e de uma lâmpada comum na realidade possuem todas as frequências possíveis e, portanto, cobrem uma faixa larga do espectro e de fontes que podem emitir luz de uma única frequência. As fontes de luz que emitem radiação de uma única frequência (ou cor) são monocromáticas. Os LEDs são fontes monocromáticas, porque produzem sua luz por um processo diferente do que vimos para o Sol e para uma lâmpada comum. Vamos analisar o funcionamento do LED.

Funcionamento do LED

Introdução

Qualquer material, inclusive semicondutores, quando são aquecidos emitem luz pela agitação de seus átomos. Entretanto, certos materiais podem emitir luz sem serem aquecidos, ou seja, podem emitir luz mesmo que frios, por um processo denominado luminescência.

A luminescência de certos materiais é conhecida desde 1889, mas, somente há pouco tempo tem sido mais usada na criação de diversos dispositivos. Um tipo de luminescência é a que ocorre quando um feixe de elétrons interage com uma camada de fósforo na tela de um televisor.

A luminescência é explicada da seguinte forma:

• Os elétrons que giram em torno de um átomo o fazem em órbitas bem estabelecidas que fixam níveis de energia (Figura 2):

Figura 2: Níveis de energia de um átomo. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.

• Um átomo pode absorver por um breve instante energia e quando isso ocorre um elétron "salta" de sua órbita passando para outra de maior nível energético.
• Ou seja, a energia fica armazenada potencialmente na posição do elétron em sua órbita.
• Quando o elétron, uma fração de segundo depois de absorver a energia, volta para sua órbita normal, a energia absorvida é devolvida (Figura 3):

Figura 3: Elétrons absorvem e emitem energias em “pacotes” (quanta) bem definidos. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.

• A energia devolvida é um quantum de radiação eletromagnética cuja frequência vai depender do "salto" do elétron, ou seja, da energia que ele tem para devolver.
• Os níveis de energia que um elétron pode assumir num átomo dependem da natureza deste átomo, ou seja, do material que ele representa.
• Assim, para cada tipo de átomo, os elétrons só podem dar saltos definidos, o que significa que eles só podem devolver a energia na forma de radiação eletromagnética de frequência muito bem definida, dada pela diferença entre o nível de energia depois do salto em relação ao nível de energia anterior.
• Se a faixa de energia que o elétron devolver estiver entre 4000 e 7000 Angstrons (ou seja, entre 400nm e 700nm), a energia se manifesta na forma de luz visível e o material em que isso ocorre passa a emitir luz.

Luminescência em LEDs

Existem diversas formas de se excitar um material para que ele absorva e depois emita a energia na forma de radiação eletromagnética. A circulação de uma corrente no sentido direto por uma junção semicondutora, por exemplo, um diodo comum, conforme mostra a Figura 4, é uma delas.

Figura 4: emissão de radiação em uma junção semicondutora. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.

No entanto, num diodo comum, a energia emitida está concentrada na faixa do infravermelho (que não podemos ver) e sua intensidade é muito pequena. Esta radiação tem sua frequência justamente determinada pela natureza do material semicondutor usado nos diodos, que é o silício. Para se obter radiação em frequências mais altas que a do infravermelho pode-se empregar outros materiais semicondutores que tenham níveis de energia diferentes e até mesmo mudar estes níveis pela adição de impurezas. Assim, com o Arseneto de Gálio semicondutor (GaAs) conseguimos um rendimento maior no processo, mas ainda na faixa do infravermelho.

Agregando fósforo ou índio ao arseneto de gálio podemos obter frequências maiores e o semicondutor já passa a emitir luz na faixa do vermelho, amarelo, laranja, verde, azul e chegar até o violeta e ultravioleta, conforme gráfico da Figura 5.

Figura 5: emissão de alguns tipos de LED. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.

Pelo gráfico, pode-se perceber que as curvas de emissão dos dispositivos obtidos desta forma, que são os LEDs (Light-Emitting Diodes ou Diodos Emissores de Luz), são bastante estreitas o que significa que eles são fontes de luz monocromáticas.

Para obter frequências mais elevadas que a da luz verde, uma nova substância tem sido usada. Trata-se do Carbeto de Silício (SiC) que tem propriedades luminescentes conhecidas desde o início do século. No entanto, a obtenção de cristais semicondutores puros desta substância foi uma dificuldade superada somente há pouco tempo.

O Carbeto de Silício na forma de semicondutor pode, ao ser excitado eletricamente, emitir luz não só na faixa de frequências correspondente ao azul como chegar até mesmo ao violeta. Desta forma, com esta nova substância podem ser fabricados LEDs azuis e violetas que já estão no mercado. Outra substância que também apresenta a emissão de luz na faixa do violeta é o Nitreto de Silício (SiN) que também já é usado na fabricação de LEDs. Na Figura 6, temos a estrutura de um LED deste tipo, em que se observa a existência de três tipos de materiais.

Figura 6: Estrutura planar de um LED de Arseneto de Gálio com Fósforo (GaAsP), da Texas Istrument. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.

Juntamente com a junção PN epitaxial temos um substrato de GaAs que é excitado na condução e que provoca a emissão da luz. Na Figura 7, temos a curva de emissão de um LED azul observando-se que ela é bem mais larga que a dos LEDs comuns de Arseneto de Gálio, dadas as próprias características do material semicondutor.

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Figura 7: Espectros de emissão dos LED azul, em comparação com o LED vermelho. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.

Os LEDs azuis e violetas possuem uma curva característica semelhante a de qualquer diodo e LED comum, apenas com o "joelho", ou seja, o ponto de início da condução numa tensão um pouco mais alta: 2,5V. Esta curva característica é mostrada na Figura 8, e ela nos mostra que o uso de um LED deste tipo em nada difere dos LEDs comuns, sendo necessária a colocação de um resistor limitador de corrente em série.

Figura 8: Curvas características de LEDs comuns. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.

Lâmpadas de LED e LEDs RGB

Reproduzindo a luz branca

Os LEDs são fontes de luz monocromáticas. Os chips dos LEDs quando percorridos por uma corrente elétrica emitem luz numa faixa muito estreita do espectro, conforme mostra a Figura 9.

Figura 9: Espectros de emissão de diferentes tipos de LEDs (cada curva representa um tipo de LED). Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/52-artigos-diversos/8024-lampadas-de-leds-iluminacao-diferente-art1435. Acessado em 17 de julho de 2016.

Encontramos, portanto, sempre LEDs de uma cor única (monocromáticos) que depende das impurezas que são acrescentadas ao material semicondutor de que eles são fabricados (como analisado na seção anterior).

Assim, para se obter luz branca, que é a mistura de todas as cores, existem duas maneiras principais. Uma primeira maneira de se obter luz branca a partir de LEDs é a partir da conversão por fósforo ou usando a sigla em inglês PC (Phosphor Conversion).

Nela, o que se faz é colocar diante do chip, no próprio invólucro do LED na maioria dos casos, uma película de fósforo que, ao ser excitada pela luz do LED (monocromática), emite luz num amplo espectro que cobre a faixa visível. No entanto, este espectro não é contínuo e não tem as mesmas características do espectro de luz que consideramos natural (solar), conforme mostra a Figura 10.

Figura 10: Espectro de fontes comuns de luz. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/52-artigos-diversos/8024-lampadas-de-leds-iluminacao-diferente-art1435. Acessado em 17 de julho de 2016.

A outra técnica consiste em se colocar no mesmo invólucros 3 LEDs ou chips das cores fundamentais vermelho (Red), verde (Green) e azul (Blue) que, combinadas, resultam na percepção (aos nossos olhos) do branco. Estes LEDs RGB não apresentam, da mesma forma, um espectro contínuo de emissão, conforme mostra a mesma Figura 10, anterior.

Um gráfico (Figura 11), obtido de uma documentação do Departamento de Energia dos Estados Unidos, mostra as diferenças entre os dois tipos de iluminação por LED em termos de espectro de emissão, no que se refere às diferentes percepções de cor, para a iluminação de LED (RGB vs PC).

Figura 11: Iluminação por LEDs PC e RGB e a percepção dos olhos. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/52-artigos-diversos/8024-lampadas-de-leds-iluminacao-diferente-art1435. Acessado em 17 de julho de 2016

Os dois primeiros gráficos da esquerda, na Figura 11, mostram as curvas de emissão de uma iluminação com LEDs RGB e de uma iluminação com LEDs PC. Na coluna do meio temos dois gráficos que mostram como um objeto vermelho refle a luz para que tenhamos a percepção de sua cor nesta parte do espectro. Mas, não é isso o que ocorre, conforme mostram os gráficos da terceira coluna.

Vemos que as cores que percebemos têm um espectro diferente, com a luz da fonte RGB aparecendo mais brilhante (pico maior) que a iluminação por LED PC que aparece mais distribuída em intensidade.

O interessante dessas diferenças de LED RGB para as emissões comparadas aos diferentes tipos de lâmpadas, no que se refere à comparação com o comportamento da nossa visão, é que, assim, para se obter essas diferenças de cores, simulando-as numa máquina fotográfica digital o procedimento é ajustar a máquina para a “luz solar” e ela vai se comportar como nossa visão.

É por esse motivo que as máquinas digitais (e nos onitores de PC mais atuais, assim como nos monitores de TV mais modernos, como os de LCD, com imagens em alta definição), em sua maioria, podem obter fotos mais realçadas em termos de fidelidade de cores, compensando os espectros de algumas fontes de luz comuns, com ajuste para luz fluorescente ou incandescente.

É interessante notar, com base neste fato, de que lâmpadas a LED devem ser estudadas também com relação à forma como se reproduz a cor, pelo menos para a nossa percepção ocular.

Essa compensação, comentada para os softwares das máquinas, tenta se aproximar à luz solar, pois esta é considerada como tendo um índice de reprodução de cor (IRC – índice que mede o quão fiel é a reprodução da cor por diferentes tipos de lâmpadas em relação à luz solar), de 100. Assim, as máquinas fotográficas, através de softwares tenta simular a curva de distribuição de contraste, saturação e intensidade para que as cores reproduzidas se aproximem da visão que temos com a luz solar.

No caso das lâmpadas de LED (e LED RGB), o IRC fica entre 80 e 93 (nas lâmpadas com tecnologias mais recentes), de forma que a reprodução não é idêntica à da luz solar, mas se aproxima. Porém, ainda não vimos uma máquina que tenha ajuste para Lâmpada de LEDs. No entanto pesquisadores do NIST já possuem uma escala de compensação que deve aparecer nas próximas gerações de máquinas, de modo que, mesmo sob iluminação de LEDs, as componentes das cores que tenham um enfraquecimento muito maior sejam compensadas.

Justamente pela questão da reprodução de cores das lâmpadas de LED não ser a ideal, ambientes em que necessitam que haja uma fidelidade da cor, é necessário se pensar melhor em utilizar lâmpadas de LED. Vitrines, lojas, exposições de arte, exposições de objetos podem ter na iluminação de LED a iluminação principal para o ambiente, mas os objetos em si, que devam ter suas cores mantidas fiéis devem ter fontes locais próprias de luz e a lâmpada halógena é a ideal, por apresentar um IRC mais próximo de 100. De todo modo, pela questão da economia e da durabilidade (além de instalação ser mais fácil), lugares como saguões, corredores, sistemas de iluminação de emergência são aplicações ideais para este tipo de lâmpada.

Relação entre a Cor do LED e Tensão

Até agora vimos o fenômeno da luminescência em LED, a produção de cor e uso dos LED na iluminação. Mas e a relação física entre tensão aplicada no terminais do LED e a produção de cor: será que existe? Vejamos...

Analisando a Figura 12:

Figura 12: Diagrama de energias para uma junção p-n. Retirado de (CAVALCANTE, TAVOLARO, HAAG, 2005). Disponível em http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/exper-fis-mod.pdf .

Um diodo emissor de luz consiste em uma junção entre semicondutores fortemente dopados. De acordo com o diagrama de energias (Figura 12), ao aplicarmos um campo elétrico externo oposto à junção pn, estaremos polarizando-a diretamente, fazendo o diodo conduzir, isto é, a corrente elétrica obtida aumenta com a tensão aplicada.

Dessa forma, os elétrons de condução ganham energia suficiente para vencer a barreira de potencial e caminham para a região p. Podemos ver na Figura 1, que para os elétrons de maior mobilidade penetrarem na região p, a quantidade de energia mínima necessária é dada por:

eVaplicada = EG + ΔEF, (Equação 1),

onde ΔEF incorpora os efeitos do nível de Fermi e a distribuição de elétrons na banda de condução.

Quando o elétron passar para a região p, podemos ter uma recombinação entre elétrons e buracos e, como consequência, para cada transição teremos a emissão de um fóton com energia hν.

Em geral, ΔEF é muito pequeno e pode ser desprezado em primeira aproximação. Admitindo que a frequência de radiação de intensidade máxima pode ser escrita em termos do limiar de tensão (aquele valor para o qual o diodo começa a conduzir corrente), temos:

hν = eV, (Equação 2) ,

onde V corresponde ao limiar de tensão aplicada aos terminais do LED para fazê-lo acender.

Assim, como ν é inversamente proporcional ao comprimento de onda (λ), quanto maior o comprimento de onda de um LED (por exemplo, para LED vermelho), menor o limiar de tensão (V) necessário a ser aplicado aos terminais do LED.

Moral da história...

Ou seja o LED vermelho requer menor tensão para acender, ao passo que o limiar de tensão para o LED azul deve ser maior. Para experiências com LED RGB, por exemplo, devido ao fato de cada LED acender com um Vo diferente, e resultando em brilhos diferentes para uma mesma tensão, é necessário utilizar resistores em série com o terminal do Vermelho, e resistores com carga menor nos outros terminais.

Para saber mais:

Visite o site do Instituto Newton C. Braga, em especial nos artigos de LED, existem informações detalhadas de funcionamento, lâmpadas de LED, cores, e experiências. Aqui utilizamos os seguintes links do Professor Newton: “A cor do LED”, disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142 e “Lâmpadas de LED e iluminação diferente”, disponível em
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/52-artigos-diversos/8024-lampadas-de-leds-iluminacao-diferente-art1435.

Para dúvidas com emissão do LED, níveis de energia, junção p=n e semicondutores (e de quebra experiências possíveis de se realizar com espectrômetros e com LED e curva característica), acesse o artigo de 2005, das professoras Marisa Cavalcante e Cristiane Tavolaro, publicado na Revista Física na Escola: Experiências em Física Moderna, disponível em http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/exper-fis-mod.pdf

FONTE

1 Texto adaptado do artigo do professor Newton C Braga “A cor do LED”. Disponível em http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1000-a-cor-dos-leds-art142. Acessado em 16 de julho de 2016.