LED (Light Emitting Diode)

In elettronica il LED (sigla inglese di Light Emitting Diode) o diodo a emissione di luce è un dispositivo optoelettronico che sfrutta la capacità di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea.

Questa si origina dalla ricombinazione di coppie elettrone–lacuna secondo il principio del diodo a giunzione, caratterizzato dalla presenza nel dispositivo di due zone drogate differentemente in modo da avere portatori di carica diversi.

Il primo LED fu sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr.^[2][3]. Nel 2014 è stato assegnato il premio Nobel per la fisica ad Isamu Akasaki e Hiroshi Amano della Nagoya University e a Shuji Nakamura dell’Università della California, Santa Barbara per le ricerche sul LED a luce blu.

Storia

LED a due colori

Nel 1907, Henry Joseph Round pubblicò una breve descrizione dell’effetto luminoso del diodo. Venti anni dopo, Oleg Losev indagò il fenomeno e formulò una teoria in una pubblicazione russa.

I primi diodi a emissione luminosa erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. Successivamente, ne vennero sviluppati alcuni 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.

Ora esistono LED, i cosiddetti “bicolore”, che integrano nello stesso corpo due diodi LED in antiparallelo, ciascuno di diverso colore; in questo modo, per variare la colorazione del LED, è sufficiente alimentarlo con polarità opposta. L’unico problema è che LED di colore diverso necessitano di correnti (If) diverse per produrre una determina intensità luminosa; quindi, ad esempio, in un LED bicolore rosso / verde, il verde avrà un’intensità luminosa minore di quella del rosso, a parità di corrente.

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 potevano generare qualsiasi colore integrando tre diodi di colore rosso, verde e blu. Parallelamente, è aumentata la quantità di luce emessa a livelli competitivi con quelli delle comuni lampadine. Nell’illuminotecnica, il LED si configura come una tecnologia ad alta efficienza che garantisce un ottimo risparmio energetico.

Funzionamento

I LED sono un particolare tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore. 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.

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 sotto forma di fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce ovvero fotoni ottici. Può essere visto quindi anche come un trasduttore elettro-ottico.

Il colore o frequenza 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. L’esatta scelta dei semiconduttori determina dunque la lunghezza d’onda dell’emissione di picco dei fotoni, l’efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l’intensità luminosa in uscita. I LED possono essere 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).

Anche se non è molto noto, i LED colpiti da radiazione luminosa nello spettro visibile, infrarosso o ultravioletto, a seconda del LED utilizzato come ricevitore, producono elettricità esattamente come un modulo fotovoltaico. I LED di colore blu e infrarosso producono tensioni considerevoli. Questa particolarità rende possibile l’applicazione dei LED per sistemi di ricezione di impulsi luminosi. Intorno a questa proprietà sono stati sviluppati molti prodotti industriali come sensori di distanza, sensori di colore, sensori tattili e ricetrasmettitori. Nel campo dell’elettronica di consumo il sistema di comunicazione irDA è un buon esempio proprio perché sfrutta appieno questa particolarità.

Il LED ha una durata molto variabile a seconda del flusso luminoso, della corrente di lavoro e della temperatura d’esercizio.^[4]

Caratteristiche

Emissione luminosa

Il led può avere un’emissione:

• Continua, il led emette costantemente luce.
• Intermittente, il led emette luce a intervalli di tempo regolari, effetto ottenibile con circuiti astabili o con led intermittenti.

Spettro luminoso

Spettro luminoso di vari LED, messi a confronto con lo spettro visivo dell’occhio umano e della lampada ad incandescenza

Lo spettro luminoso dei led varia molto a seconda del led. Se il led è usato per illuminazione si ha generalmente una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche al 100%; in altre applicazioni esistono led che emettono luce non visibile.

Colore della luce emessa

A seconda del materiale 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 applicata alla giunzione dei LED dipende dalla banda proibita del materiale che a sua volta determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella:

Temperatura di colore

L’esigenza di disporre di una discreta varietà di tonalità di colore in luce bianca, necessità prevalente nell’illuminazione all’interno degli edifici, ha indotto i costruttori a differenziare sensibilmente questi dispositivi in base alla temperatura di colore, così che sul mercato sono presenti dispositivi selezionati e suddivisi fino a 6 fasce di temperatura, che spaziano da 2700 K (tonalità “calda”) a oltre 8000 K (luce “fredda”).

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 furono studiati dall’ingegnere Alberto Barbieri presso i laboratori dell’università di Cardiff (GB) nel 1995, caratterizzando le ottime proprietà per dispositivi in AlGaInP/GaAs con contatto trasparente di Indio e Stagno (ITO), gettando così le basi per l’alta efficienza. (senza fonte)

L’evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere sorgenti luminose che hanno le caratteristiche per sostituire quasi tutte quelle ad oggi utilizzate.

Nei primi telefoni cellulari erano presenti nel formato più piccolo in commercio per l’illuminazione dei tasti. Attualmente, i più piccoli chip emissivi costituiscono la zona attiva dei LED denominati COB (Chip On Board), minuscole strisce di DIE disposte a matrice direttamente sul substrato del dispositivo, ne è un esempio il dispositivo Cree cxa2590 nella versione a 2700 K, il disco di 19 mm di diametro emette 6000 lumen con resa cromatica 95. 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 già presenti dispositivi sostitutivi diretti dei faretti e lampadine alogene, aventi identico standard dimensionale. Per l’illuminazione stradale sono disponibili lampioni analoghi ai tradizionali. La quantità di luce necessaria per ogni applicazione è realizzata con matrici di die in numero vario. Per esempio un dispositivo da 100 watt è realizzato disponendo 100 die da 1 watt in una matrice quadrata 10 X 10. La potenza massima raggiunta attualmente in un singolo dispositivo è di circa un Kilowatt.

L’incremento di efficienza è in continuo aumento: il 13 febbraio 2013 il produttore Cree ha annunciato il raggiungimento di 276 lumen per watt in luce bianca, temperatura di colore di 4401 K^[5], con il dispositivo Xlamp alimentato a 350 mA. Un netto miglioramento, quasi una svolta sul piano dell’affidabilità, era già stato introdotto con il dispositivo MT-G, immesso sul mercato il 22 febbraio 2011 come diretto sostituto del faretto alogeno standard MR16. Per la prima volta la caratterizzazione dei parametri di questo LED è effettuata alla temperatura di 85 °C rispetto ai canonici 25 °C e nei successivi dispositivi i principali parametri sono riferiti ad entrambe le temperature.

Alimentazione- Il modo corretto di alimentare un LED è quello di fornire al dispositivo una corrente costante polarizzata, il cui valore è indicato dal costruttore nel relativo datasheet. Ciò si può ottenere utilizzando un generatore di corrente o più semplicemente ponendo in serie al LED un resistore di valore appropriato, col compito di limitare la corrente che vi scorre. In questo caso la potenza in eccesso viene dissipata in calore nel resistore di limitazione collegato in serie al led.

Questa soluzione, tecnicamente corretta dal punto di vista elettrico, penalizza l’efficienza del sistema e, data la variazione resistiva del sistema secondo la temperatura alla quale lavora, non garantisce con precisione al LED un flusso di corrente corrispondente alle specifiche del costruttore. Il valore di tensione presente ai capi del dispositivo, anch’esso dichiarato come specifica nominale di targa, è diretta conseguenza del valore di corrente fornito. Allo stato attuale, torce portatili per uso professionale, speleologia, uso subacqueo, militare, o sport agonistico notturno usano LED montati meccanicamente anche a gruppi, con conseguenti correnti di alimentazione che possono raggiungere le decine di ampere. Per esempio il dispositivo singolo monochip con sigla SST-90 può assorbire fino a 9 ampere. L’informazione più appropriata per l’utilizzo dei LED di potenza si ottiene dai datasheet del costruttore. In particolare il grafico che correla la corrente assorbita con la quantità di luce emessa (lumen), è il migliore aiuto per conoscere le caratteristiche del dispositivo.

Volendo approntare il semplice circuito con 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:

R s = V s − V f I f {\displaystyle R_{s}={V_{s}-V_{f} \over I_{f}}}  che ha come unità di misura o h m = v o l t a m p e r e {\displaystyle \mathrm {ohm} =\mathrm {volt \over ampere} } 

Si dimostra la formula considerando il LED come una seconda resistenza di valore V f I f {\displaystyle {V_{f} \over I_{f}}\;} , e ponendo V_s uguale alla somma delle tensioni ai capi della resistenza e del LED:

V s = V r + V f = R s I f + V f I f I f {\displaystyle V_{s}=V_{r}+V_{f}=R_{s}I_{f}+{V_{f} \over I_{f}}I_{f}} 

quindi

R s I f = V s − V f {\displaystyle R_{s}I_{f}=V_{s}-V_{f}\;} 

da cui la formula di cui sopra.Esempio: ipotizzando V_s = 12 volt, V_f = 1,8 volt e I_f = 20 mA si haR s = 12 − 1 , 8 0 , 02 = 510 Ω {\displaystyle R_{s}={12-1{,}8 \over 0{,}02}=510\;\Omega } 

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. In base alla formula di calcolo della resistenza in serie, il suo valore dovrà essere compreso tra:R s ( m a x ) = 12 − 2 0,010 = 1000 Ω {\displaystyle R_{s}(max)={12-2 \over 0{,}010}=1000\;\Omega } 

 (valore standard = 1 k Ω {\displaystyle 1k\;\Omega } 

)R s ( m i n ) = 12 − 2 0,020 = 500 Ω {\displaystyle R_{s}(min)={12-2 \over 0{,}020}=500\;\Omega } 

 (valore standard = 560 Ω {\displaystyle 560\;\Omega } 

)

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).

Poiché 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, nel caso di alimentazione invertita la tensione potrebbe ripartirsi 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 interessati 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 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, un resistore di protezione, che serve a limitare la scarica all’accensione. Il valore del resistore sarà 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, necessario per smaltire il calore prodotto: sono ormai in commercio LED a luce bianca con potenza di 500 watt e oltre e corrente assorbita di 20 ampere ^[6]. Quando sono richieste potenze più elevate normalmente si tende a non usare correnti continue, ma a sfruttare correnti pulsanti con duty cycle scelto in maniera opportuna. Ciò permette un notevole incremento della corrente e quindi della luce, mentre la corrente media e la potenza dissipata rimangono nei limiti consentiti.

Alimentatori commerciali- Sono caratterizzati da tre parametri principali: potenza in W, corrente fornita in mA su una o più uscite, e tensione di uscita. La tensione di uscita non è fissa, ma è compresa tra un valore minimo e uno massimo, per garantire che la corrente si mantenga costantemente al suo valore nominale. La tensione fornita dipenderà dal tipo di LED impiegati e dal loro numero. Essendo di norma i LED collegati in serie tra loro, la tensione sarà pari alla somma delle singole tensioni a regime ai capi di ciascun dispositivo. Un esempio pratico: ambiente dotato di 8 faretti con led da 700 mA, il datasheet indica 11.7 volt alla corrente di lavoro, posti in serie, 11.7 X 8 = 93.6, per fare accendere in modo corretto gli 8 faretti, occorre un alimentatore da 700 mA che fornisca 93.6 V in uscita mentre se i faretti fossero 7 dovrebbe fornire 81.9 V. Si comprende quindi la necessità di disporre in uscita all’alimentatore di un range di tensione più ampio possibile, in modo da offrire sufficiente flessibilità nel progetto di illuminazione di ambienti. Nel nostro esempio la potenza di un singolo faretto è data da 700mA X 11.7V e la potenza totale è 8.19W X 8 = 65.52W. Occorre scegliere un alimentatore di questa potenza o leggermente superiore, il range di tensione di uno degli alimentatori commerciali adatto a questo esempio spazia da 64 a 129 volt.

Polarizzazione di un LED indicatore- Solitamente il terminale più lungo di un led indicatore (diametro package 3 mm, 5 mm o superiori) è l’anodo (+) e quello più corto è il catodo (-).

In caso il led sia già saldato su piastra o i terminali siano stati tagliati alla stessa dimensione e/o non sia possibile riconoscere la polarità dai terminali, se si osserva attentamente dentro l’involucro plastico si noterà un terminale più grosso catodo (-) e uno più piccolo anodo (+) esattamente l’opposto di quanto accade ai terminali esterni.

Per polarizzare correttamente un 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, è quasi non 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.

Assorbimento

L’assorbimento di corrente di alimentazione entrante nel dispositivo varia molto in funzione del tipo di LED: sono minori nei LED normali usati come indicatori rispetto a quelli ad alta luminosità (led flash e di potenza), secondo la seguente tabella:

Utilizzi

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:

• telecomandi a infrarossi;
• indicatori di stato (lampadine spia o standby);
• retroilluminazione di display LCD;
• semafori stradali;
• dispositivi luminosi obbligatori di autovetture e motocicli;
• lampeggianti dei veicoli d’emergenza di ultima generazione (ambulanze, carabinieri, polizia, polizia locale ecc.);
• cartelloni a messaggio variabile;
• Illuminazione;
• comunicazioni ottiche di breve distanza in sostituzione del più costoso laser;
• segnalazione degli ostacoli al volo (installazione su strutture particolarmente elevate, attraverso sistemi di sollevamento in quota di apparecchiature).

Dal 2006 la città di Raleigh, nel Carolina del Nord, è considerata la prima città a LED del mondo, per il consistente rinnovamento tecnologico attuato dalla cittadina per promuovere l’uso dell’illuminazione a LED.

Forza commerciale

La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro capacità di ottenere elevata luminosità (molte volte maggiore di quella delle lampade a filamento di tungsteno), sul basso prezzo, sull’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). I LED lavorano a bassa tensione, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuiti integrati al silicio.

Evoluzione

Led SMD

Un modulo LED SMD è un tipo di modulo LED che utilizza la tecnologia di montaggio a superficie (SMT) per montare i chip LED sulle schede a circuito stampato (PCB).

Led COB

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 in quanto hanno una resa superiore), è oggi possibile con notevoli risultati, raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo.

All’inizio della ricerca l’efficienza luminosa quantità di luce/consumo (lm/W), era stato calcolato nel rapporto minimo di 3 a 1, successivamente è migliorato moltissimo. Il limite dei primi dispositivi adatti ad essere impiegati in questo tipo di applicazione era l’insufficiente quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen). Questo problema è stato superato con i modelli di ultima generazione, abbinando l’incremento di efficienza alla tecnica di disporre matrici di die nello stesso package collegati tra loro in serie e parallelo o realizzando la matrice direttamente nel substrato del dispositivo. L’efficienza dei dispositivi attuali per uso professionale e civile si attesta oltre i 120 lm/W che però scendono attorno ai 80 lm/W in dispositivi a luce più calda. Per esempio il dispositivo Cree CXA3050 ha Ra>90 e 2700K. Una lampada a incandescenza da 60 W alimentata a 220V, emette un flusso luminoso di circa 650 lumen.

Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un’efficienza luminosa di circa 10-19 lm/W, mentre una lampada ad alogeni circa 12-20 lm/W ed una fluorescente lineare circa 50-110 lm/W. Una minore facilità d’impiego nell’illuminazione funzionale rispetto alle lampade tradizionali è costituita dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione, che influiscono fortemente su emissione luminosa e durata nel tempo. Diventa comunque 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, modificabile comunque tramite appropriate lenti poste frontalmente.

I produttori di LED sono produttori di semiconduttori, fabbriche di silicio, e le lampadine vengono prevalentemente prodotte da altri fabbricanti, pertanto vi è un certo ritardo tra la data di immissione sul mercato di un nuovo dispositivo LED e la disponibilità sul mercato di una lampadina che lo utilizzi.

I vantaggi dei LED dal punto di vista illuminotecnico sono:

• durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore con una perdita del flusso luminoso del 10% max);
• costi di manutenzione-sostituzione ridotti;
• elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene);
• luce pulita perché priva di componenti IR e UV (alta efficienza: nessuna parte dell’energia trasformata in luce è al di fuori dello spettro del visibile);
• facilità di realizzazione di ottiche efficienti di plastica;
• flessibilità di installazione del punto luce;
• 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;
• assenza di mercurio;
• possibilità di creare apparecchi illuminanti di nuova foggia per via dell’impatto dimensionale ridotto;
• possibilità di regolare l’intensità luminosa (solo su alcuni modelli);
• minor calore generato nell’ambiente rispetto ad altre tecnologie per l’illuminazione.

Gli svantaggi sono:

• costi più alti;
• difficoltà nell’ottenere illuminazione diffusa (360°), superata solo recentemente grazie alla tecnologia a filamenti di LED;

Fonte: Wikipedia

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