Il LED, note tecniche

LED è l'acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa). Il primo LED è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr. (nato a Zeigler, Illinois, il 3 novembre 1928). [1][2]

FUNZIONE FISICA

Il dispositivo sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo drogate con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune. Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione.

I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato. Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente da produrre fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. I LED sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

Anche se è cosa poco nota, i LED sono "macchine reversibili": infatti, se la loro giunzione viene esposta direttamente ad una forte fonte luminosa o ai raggi solari, ai terminali appare una tensione, dipendente dall'intensità della radiazione e dal colore del led in esame (massima per il blu). Questa caratteristica viene abitualmente sfruttata nella realizzazione di sensori, per sistemi di puntamento (inseguitori solari) di piccoli impianti fotovoltaici o a concentratore e per molti altri scopi.

UTILIZZO

I primi LED erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. Successivamente vennero sviluppati LED che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due LED, generalmente uno rosso e uno verde, nello stesso contenitore permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo.

Negli anni novanta vennero realizzati LED con efficienza sempre più alta e in una gamma di colori sempre maggiore fino a quando con la realizzazione di LED a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore.
I LED in questi anni si sono diffusi in tutte le applicazioni in cui serve:

• elevata affidabilità

• lunga durata

• elevata efficienza

• basso consumo

Alcuni utilizzi principali sono:

• nei telecomandi a infrarossi

• indicatori di stato (lampadine spia)

• retroilluminazione di display LCD

• nei semafori e negli "stop" delle automobili

• cartelloni a messaggio variabile

• illuminazione

IMPIEGO NELL'ILLUMINAZIONE

I LED sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecnico in sostituzione di alcune sorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell'illuminazione domestica, quindi in sostituzione di lampade ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte (comunemente chiamate a risparmio energetico), è oggi possibile con notevoli risultati raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo. Attraverso i nuovi studi, infatti, l'efficienza luminosa quantità di luce/consumo (lm/W) è stato calcolato di un minimo di 3 a 1. Fondamentalmente, il limite dei LED per questo tipo di applicazione è la quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen), che nei modelli di ultima generazione per uso professionale si attesta intorno ai 120 lm, ma che nei modelli più economici raggiunge solo i 20 lumen. Una lampada ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen, in merito a questa tipologia di di lampada, una normativa della Comunità Europea ne prevede nell'arco di 7 anni, a partire dal 1-9-2009 il divieto di vendita in tutti i paesi della comunità, graduandone annualmente il divieto in base alla potenza in watt.

Il loro utilizzo diventa invece molto più interessante in ambito professionale, dove l'efficienza luminosa pari a 40-60 lm/W li rende una sorgente appetibile. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un'efficienza luminosa di circa 20 lm/W, mentre una lampada ad alogeni di 25 lm/W ed una fluorescente lineare fino a 104 lm/W. Altro loro limite nell'illuminazione funzionale è che le loro caratteristiche di emissione e durata sono fortemente condizionate dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione. Diventa dunque difficile individuare rapporti diretti tra le varie grandezze, tra le quali entra in gioco anche un ulteriore parametro, ovvero l'angolo di emissione del fascio di luce, che può variare in un intervallo compreso tra circa 4 gradi e oltre 120.

Dal punto di vista applicativo i LED sono ad oggi molto utilizzati quando l'impianto di illuminazione deve avere le seguenti caratteristiche:

• miniaturizzazione

• colori saturi

• effetti dinamici (variazione di colore RGB)

• lunga durata e robustezza

• valorizzazione di forme e volumi

Concludendo, i vantaggi dei LED dal punto di vista illuminotecnico sono:

• durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore)

• assenza di costi di manutenzione

• elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene)

• luce pulita perché priva di componenti IR e UV

• facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica

• flessibilità di installazione del punto luce

• colori saturi

• possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme)

• funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc)

• accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi

• insensibilità a umidità e vibrazioni

• assenza di mercurio

• durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti

ASSORBIMENTO

Per quanto riguarda gli assorbimenti, questi sono minori nei LED normali rispetto a quelli ad alta luminosità, secondo la seguente tabella:

FORZA COMMERCIALE

La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro potenzialità di ottenere elevata luminosità (quattro volte maggiore di quella delle lampade fluorescenti e filamento di tungsteno), basso prezzo, elevata efficienza ed affidabilità (la durata di un LED è di uno-due ordini di grandezza superiore a quella delle classiche sorgenti luminose, specie in condizioni di stress meccanici); inoltre essi non richiedono circuiti di alimentazione complessi, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuiti integrati al silicio.
 

EFFICIENZA ED AFFIDABILITÀ

I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata efficienza luminosa A.U./A e di affidabilità. I primi LED ad alta efficienza sono stati investigati dall'ingegnere Alberto Barbieri presso i laboratori dell'università di Cardiff (GB) nel 1995, rilevando ottime caratteristiche per dispositivi in AlGaInP/GaAs con contatto trasparente di Indio e Stagno (ITO). L'evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere delle sorgenti luminose del futuro che hanno tutte le caratteristiche per sostituire quasi tutte quelle ad oggi utilizzate. Nei telefoni cellulari sono presenti nel formato più piccolo in commercio, per l'illuminazione dei tasti, su alcuni modelli di autovetture e ciclomotori di nuova produzione, sono presenti in sostituzione delle lampade a filamento, per le luci di "posizione" e "stop", sul mercato sono gia presenti dispositivi sostitutivi diretti del faretti alogeni, aventi identico standard dimensionale, per l'illuminazione stradale sono disponibili lampioni analoghi ai tradizionali; la quantità di luce al fabbisogno per ogni applicazione, viene realizzata con il posizionamento nel dispositivo, di matrici di die di varie dimensioni.

CARATTERISTICHE TECNICHE

I LED devono essere alimentati a corrente costante e questo può essere fatto utilizzando un generatore di corrente o, più semplicemente, ponendovi in serie una resistenza per limitare la corrente per una data tensione di alimentazione. La corrente può variare da 5-6 mA fino a 20 mA quando è richiesta molta luce. Il valore dipende anche dalla lunghezza d'onda della luce emessa dal LED.

Il valore della resistenza in serie Rs è calcolato mediante la legge di Ohm e la legge di Kirchhoff conoscendo la corrente di lavoro richiesta I_f, la tensione di alimentazione V_s e la tensione di giunzione del LED alla corrente di lavoro data, V_f

Nel dettaglio, la formula per calcolare la resistenza in serie necessaria è:

che ha come unità di misura

che si dimostra considerando il LED come una seconda resistenza di valore

e ponendo V_s uguale alla somma delle tensioni ai capi della resistenza e del LED:

quindi

da cui la formula di cui sopra.

Esempio: ipotizzando V_s = 12 volt, V_f = 1,8 volt e I = 20 mA si ha

In linea generale, quando non si possiede il datasheet specifico, si può considerare per i LED consueti di diametro 5 mm una tensione Vf pari a circa 2 V ed una corrente di lavoro If prudenziale di 10-15 mA, fino a 20 mA. Valori superiori di corrente sono in genere sopportati, ma non assicurano un funzionamento duraturo. Quindi, secondo la suddetta formula, la resistenza dovrà essere compresa tra questi due valori:

(valore standard = )

(valore standard = )

Per i LED di tipo flash, per i quali come si è detto la corrente può variare tra 20 e 40 mA, i valori minimo e massimo della resistenza saranno 250 e 500 (valori standard 270 Ohm e 470 Ohm).

Poichè i LED sopportano una bassa tensione inversa (solo pochi volt), se vengono alimentati a corrente alternata occorre proteggerli ponendovi in parallelo un diodo con polarità invertita rispetto al LED ("antiparallelo"). Non è consigliabile inserire un diodo in serie per due motivi: in primo luogo la tensione di alimentazione dovrebbe essere superiore alla somma delle due tensioni di giunzione. In secondo luogo, la tensione si può ripartire sui due diodi in modo da superare comunque la tensione inversa sopportata dal LED.

In qualche caso si può usare un ponte di quattro diodi per assicurare che una corrente diretta scorra sempre attraverso il LED. In questo caso saranno sempre interessato due diodi e quindi la tensione d'alimentazione dovrà sempre essere superiore al doppio della tensione di giunzione.
Se si vuole alimentare un LED con la tensione di rete, senza che il nostro circuito dissipi troppa energia nella resistenza in serie, si può usare un circuito costituito da un condensatore collegato in serie ad una sezione, che consiste nel LED in parallelo ad un diodo di protezione, (con polarità invertita per limitare la tensione inversa) e al tutto seguirà ancora in serie, una resistenza di protezione, che serve a limitare la scarica all'accensione (di valore un decimo della reattanza del condensatore alla frequenza di rete). Il valore della capacità del condensatore dipenderà dalla reattanza (Impedenza) che lo stesso dovrà presentare alla frequenza di rete per far scorrere la voluta corrente (If) nel LED.

La massima quantità di luce che può essere emessa da un LED è limitata essenzialmente dalla massima corrente media sopportabile, che è determinata dalla massima potenza dissipabile dal chip, i recenti dispositivi progettati per impieghi professionali hanno una forma adatta ad accogliere un dissipatore termico, assolutamente necessario per smaltire il calore prodotto: sono ormai in commercio LED a luce bianca con potenza di 10 watt e corrente assorbita di 1 ampere. Quando sono richiesti valori d'uscita più alti normalmente si tende a non usare correnti continue, ma ad usare delle correnti pulsanti con duty cycle scelto in maniera opportuna. Ciò permette alla corrente e, di conseguenza, alla luce di essere notevolmente incrementate, mentre la corrente media e la potenza dissipata rimangono nei limiti consentiti.

POLARIZZAZIONE DI UN DIODO

Solitamente il terminale più lungo di un diodo led (diametro package 3 mm, 5 mm o superiori) è l'anodo (+) e quello più corto è il catodo.
Per polarizzare correttamente un diodo LED possiamo usufruire inoltre di una caratteristica particolare del package: se si guarda infatti il led dall'alto, si può notare come la parte laterale del package non sia regolare ma squadrata da un lato: questa "squadratura" identifica il catodo (-). Nel caso dei led 3 mm, si rende necessario l'uso di un tester in quanto tale "segno" (se presente) non è quasi visibile.
Se si utilizza un tester, dopo aver selezionato la scala di resistenza con fattore 1 (X1), se si pone il puntale positivo sull'anodo e il puntale negativo sul catodo, il tester segnerà un valore di resistenza dell'ordine di qualche centinaio di ohm, nel caso il tester fosse un modello analogico con pila di alimentazione a 3 volt, se il led è efficiente, essendo polarizzato direttamente, il piccolo flusso di corrente che lo attraversa lo farà accendere, invertendo i puntali, invece, il tester non dovrà segnare alcuna continuità.

COLORI

A seconda del drogante utilizzato, i LED producono i seguenti colori:

• AlGaAs - rosso ed infrarosso

• GaAlP - verde

• GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo

• GaN - verde e blu

• GaP - rosso, giallo e verde

• ZnSe - blu

• InGaN - blu-verde, blu

• InGaAlP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde

• SiC come substrato - blu

• Diamante (C) - ultravioletto

• Silicio (Si) come substrato - blu (in sviluppo)

• Zaffiro (Al2O3) come substrato - blu

La tensione di giunzione dei LED dipende dal drogante e, quindi dal colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella: i led sono molto più conveninti delle lampadine perché consumano molto di meno

Tratto da Wikipedia