MODELO FÍSICO EQUIVALENTE DE DIODOS ORGÂNICOS EMISSORES DE LUZ (OLEDS) PARA APLICAÇÕES EM ILUMINAÇÃO
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(2) MODELO FÍSICO EQUIVALENTE DE DIODOS ORGÂNICOS EMISSORES DE LUZ (OLEDs) PARA APLICAÇÕES EM ILUMINAÇÃO 1. INTRODUÇÃO O consumo de energia elétrica utilizado para iluminação corresponde a 20% de todo consumo de energia elétrica no mundo (IEA, 2014). Em função disso, novas tecnologias estão sendo empregadas, a fim de gerar soluções para o uso racional e eficiente de energia. Entre estas tecnologias, se encontram dispositivos baseados na iluminação em estado solido (IES), como os diodos emissores de luz (LEDs) e os diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs). Esses dispositivos emitem luz a partir de um fenômeno denominado eletroluminescência, onde a emissão de luz ocorre devido a uma passagem de corrente elétrica em um semicondutor. No caso dos LEDs, isso ocorre em um semicondutor inorgânico, tipicamente silício, e a iluminação fornecida por tal dispositivo é de forma pontual, diferentemente dos OLEDs, que são constituídos de materiais orgânicos, normalmente carbono, e são capazes de produzir luz em superfícies maiores. O primeiro cientista a reportá-la em compostos orgânicos foi André Bernanose, em 1950 (BERNANOSE et al., 1953) Desde então vários estudiosos aperfeiçoaram estes dispositivos. Modelos elétricos equivalentes foram propostos, com o intuito de representar o comportamento elétrico do dispositivo no regime estático ou dinâmico, considerando suas características. Os OLEDs ainda são dispositivos de difícil aquisição e de custo elevado, logo um modelo equivalente construído fisicamente e com a capacidade de representar o seu comportamento é desejável. Este artigo tem como objetivo propor um modelo físico equivalente (MFE) como emulador de OLEDs considerando suas características construtivas. 2. METODOLOGIA Para a construção dos MFE, tornou-se necessário uma revisão bibliográfica sobre o assunto com objetivo de verificar informações pré-existentes sobre tal tema. Nesse sentido, adotaram-se os modelos propostos por Bender (2015), apresentados na Figura 1. Estes modelos foram escolhidos devido a precisão apresentada nos testes comparativos com OLEDs. A partir disto, foram realizadas simulações dos modelos em programas computacionais, a fim de que se obtivesse a resposta dos circuitos sob diferentes condições de operações. Nestes modelos foram empregados componentes mais simples e conhecidos como resistores, e fontes de tensão, de modo a caracterizar, modelar e acionar o dispositivo. Devido as características de operação serem distintas, tornou-se necessária a construção de dois circuitos equivalentes, um para o regime estático e outro para o regime dinâmico. Para a operação em regime estático, o modelo é composto por duas fontes de tensões, Vo, que representa a tensão de limiar, e Vbi, denominada tensão de built-in, quatro resistências: a resistência do eletrodo (Re), a resistência das camadas orgânicas (Rs), a resistência paralela (Rp) utilizada como caminho para a corrente de dispersão, necessária quando baixos níveis de tensão são injetados, e a resistência Rbi, que designa as perdas ôhmicas das camadas orgânicas. Por fim, os dois diodos D1 e D2, que representam a característica unidirecional da corrente do OLED. Para o regime dinâmico, utilizou-se o mesmo modelo estático, porém acrescido de uma combinação de capacitores, para descrever a resposta de tensão.
(3) do dispositivo quando ele não se encontra em regime permanente, e um diodo D 3, para manter o sentido da corrente. Para representar as fontes independentes, V o e Vbi, em ambos os circuitos, adicionou-se um ramo para cada um deles, com um potenciômetro, um transistor e um amplificador operacional, operando como fonte de tensão. Os circuitos tanto para o modelo em regime estático quanto para o regime dinâmico, estão expostos na Figura 1(a) e Figura 1(b), respectivamente.. (a) (b) Figura 1. Modelos Físicos equivalentes (a) em regime estático e (b) em regime dinâmico. Após o término das simulações, iniciou-se a montagem dos circuitos em uma matriz de contatos, de modo a obter os primeiros resultados para sua validação. Como os resultados obtidos foram satisfatórios, transferiu-se os circuitos para uma placa de circuito impresso (PCI), a fim de melhorar sua precisão e tornar os resultados mais fiéis ao dispositivo real, como mostra a Figura 2.. Figura 2. Modelo equivalente físico construído em uma PCI. Para a obtenção dos resultados, utilizou-se um circuito de acionamento juntamente com os modelos equivalentes, e equipamentos para sua medição, sendo eles: duas fontes de tensão, um osciloscópio, uma ponteira de corrente, um gerador de função e um multímetro. 3. RESULTADOS e DISCUSSÃO Nos ensaios experimentais utilizou-se o OLED Osram Orbeos CDW-031. As principais características extraídas da folha de especificações podem ser vistas na Tabela 1:.
(4) Tabela 1: Principais Características do OLED utilizado. Osram Característica CDW-031 Tensão Nominal (V) 3,4 Corrente Nominal (mA) 186 0,63 Potência Nominal (W) 4900 Área Ativa (mm2) 2 6340 Área Total (mm Os modelos foram submetidos a diferentes condições de operação, e as curvas de tensão e corrente foram medidas e comparadas com o dispositivo real. Afim de parametrizar o MFE, foram realizados testes apresentados em Bender (2015). Os parâmetros obtidos para os OLEDs caracterizados são apresentados na Tabela 2. Tabela 2: Parâmetros do MFE. Parâmetros Vo (V) Vbi (V) Re Ÿ Rs Ÿ Rbi Ÿ Rp Ÿ Cg (F) Cd (F). Osram CDW-031 2,84 2,31 1,34 1,29 30,96 500x103 2,62x10-4 4,84x10-4. Testes foram realizados utilizando um circuito de caracterização, seguindo o procedimento apresentado em Bender (2015). Para realização dos testes foi montada a estrutura de fonte de corrente mostrada na Figura 3.. Figura 3. Circuito de caracterização. Para a validação do MFE no regime estático, o modelo foi submetido à uma rampa de corrente configurada no gerador de função. O MFE foi alimentado com 15 V, e conectado ao circuito de caracterização, juntamente com o OLED. As ponteiras do osciloscópio foram dispostas no MFE e no OLED. A partir disso foram obtidas as.
(5) curvas de tensão do MFE e do OLED. Os resultados obtidos podem ser vistos na Figura 4, onde o canal 1, em azul forte, se refere a tensão do OLED, e o canal 2, em azul claro, se refere a tensão do MFE. Os canais 3 e 4 mostram respectivamente a corrente do circuito (If) e a tensão do resistor auxiliar (VRaux). Como pode ser observado na Figura 4, os canais 1 e 2 estão praticamente sobrepostos. A partir disso pode se perceber a precisão obtida na característica estática.. Figura 4. Resposta estática obtida para o OLED Osram CDW-031. A partir dos pontos obtidos no osciloscópio foi possível a realização de um gráfico de tensão versus corrente comparando o MFE proposto e o OLED. A Figura 5 mostra o resultado obtido para o OLED Osram Orbeos CDW-031.. Figura 5. Tensão versus Corrente do OLED Osram Orbeos CDW-031 e MFE. Como pode ser observado na Figura 5, a resposta de tensão versus corrente do MFE tem as mesmas características e se aproxima da curva do dispositivo real. O erro percentual máximo existente entre as curvas é de aproximadamente 7,05%. Para a validação do MFE operando em regime dinâmico, foi configurada uma onda PWM (modulação por largura de pulso), no gerador de funções. As configurações utilizadas no MFE dinâmico foram tais quais as configurações do MFE estático. Os testes foram realizados com diferentes valores de frequência e os resultados obtidos podem ser vistos na Figura 6..
(6) Frequência 10 Hz Razão Cíclica 30%. CH1-VOLED CH2-VMFE. CH4-VRaux. CH3-If. (a) Frequência 100 Hz Razão Cíclica 50%. CH2-VMFE CH1-VOLED. CH4-VRaux CH3-If. (b). CH1-VOLED. Frequência 1 kHz Razão Cíclica 80%. CH2 VMFE CH4-VRaux. CH3-If. (c). Figura 6. Resposta dinâmica obtida para o OLED Osram Orbeos CDW-031 e o respectivo MFE para diferentes frequências e razões cíclicas. Como pode ser observado, o MFE proposto para o OLED CDW-031 respondeu de acordo apenas para níveis de frequência de 1kHz, pois o modelo apresentou certas discrepâncias para maiores níveis de frequência. Tal fato ocorre devido a utilização de componentes reais pelo MFE, sendo assim não é possível conseguir os valores ideais propostos em teoria. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS A utilização de circuitos equivalentes na modelagem de dispositivos como OLEDs é altamente desejável, pois utilizando componentes mais simples e de menor custo se torna possível emular as características de dispositivos reais. Neste artigo, foram apresentados modelos físicos equivalentes para dois diferentes OLEDs, e as respostas obtidas foram satisfatórias. Como pôde ser observado a partir dos resultados obtidos, houve grande semelhança entre o MFE e as curvas dos OLEDs. Os modelos responderam satisfatoriamente para certos níveis de frequência, tornando válida sua construção e utilização como emulador de um dispositivo real. 5. REFERÊNCIAS BENDER, V. Modelagem e acionamento de diodos orgânico emissores de luz 2/('¶V SDUD VLVWHPDV GH LOXPLQDomR Tese de doutorado, 2015. BERNANOSE, A.; COMTE, M.; VOUAUX, P. A new method of emission of light by certain organic compounds. J. Chim. Phys, v. 50, 1953. INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. Energy efficiency: Lighting. 2014. Disponível em: http://www.iea.org/topics/energyefficiency/lighting/ Acesso em 18 setembro 2017..
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