CHE COSA E’, COME E QUANDO NASCE LA LUCE A LED

In elettronica il LED o diodo a emissione di luce è un dispositivo optoelettronico che sfrutta la capacità di alcuni materiali, i cosi detti semiconduttori, di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea. L’emissione spontanea di luce è un processo alla base di molti fenomeni in natura, come la fluorescenza e la fosforescenza, e di numerose applicazioni,come i tubi a fluorescenza, gli schermi CRT, gli schermi al plasma, i laser e i diodi emettitori di luce. La fluorescenza è la proprietà di alcune sostanze di riemettere le radiazioni elettromagnetiche ricevute, in particolare di assorbire radiazioni nell’ultravioletto ed emetterla nel visibile. Un esempio di questo processo lo vediamo in tutti i materiali che contengono pigmenti fluorescenti, come ad esempio nell’inchiostro degli evidenziatori e vernici fluorescenti,anche se non mancano applicazioni in ambito analitico quali il monitoraggio ambientale, la citometria a flusso, l’imaging cellulare, il dosaggio immunologico.

Le proprietà fluorescenti di un oggetto spesso diventano evidenti con l’utilizzo di una lampada di Wood, ma a seconda dei materiali può essere necessaria una lunghezza d’onda inferiore

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

STORIA

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 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 potevano generare qualsiasi colore integrando tre diodi di colore rosso, verde e blu.

FUNZIONAMENTO

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

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 a oltre 8000 K .

EFFICIENZA ED AFFIDABILITA’

Grafico di durata in ore di un LED in base alla temperatura di giunzione e il relativo flusso luminoso I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata efficienza luminosa A.U. 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. Attualmente, i più piccoli chip emissivi costituiscono la zona attiva dei LED denominati COB , 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. La potenza massima raggiunta attualmente in un singolo dispositivo è di circa un Kilowatt. 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

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. In particolare il grafico che correla la corrente assorbita con la quantità di luce emessa, è il migliore aiuto per conoscere le caratteristiche del dispositivo.
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. 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. Il valore della capacità del condensatore dipenderà dalla reattanza che lo stesso dovrà presentare alla frequenza di rete per far scorrere la voluta corrente 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. 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

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. 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 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. Se si utilizza un tester, dopo aver selezionato la scala di resistenza con fattore 1 , 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.

 

Tipo di LED Assorbimento (mA)
LED basso consumo 3 – 10
LED normali 10 – 15
LED flash 20 – 40
LED di potenza 100 – 20000

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 , sul basso prezzo, sull’elevata efficienza ed affidabilità . 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.

Vari tipi di LED

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 stand-by);
  • 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).

Led SMD

Come già descritto in un precedente articolo, un modulo LED SMD è un tipo di modulo LED che utilizza la tecnologia di montaggio a superficie per montare i chip LED sulle schede a circuito stampato.

I vari tipi si distinguono in base alle dimensioni.

Sigla Dimensione (mm) Flusso luminoso (lm) Consumo (W)
1104 1.1 x 0.4
1206 1.2 x 0.6
2835 2.8 x 3.5 22-24 0.2
3014 3.0 x 1.4 10-12 0.1
3020 3.0 x 2.0 10-12 0.12
3030 3.0 x 3.0 61-85 0.63
3258 3.2 x 5.8 6-7 0.062
3528 3.5 x 2.8
3535 3.5 x 3.5
4014 4.0 x 1.4
5050 5.0 x 5.0 16-22 0.24
5630 5.6 x 3.0 54-56 0.5
5730 5.7 x 3.0 47-56 0.5
5733 5.7 x 3.3
5736 5.7 x 3.6
7014 7.0 x 1.4
7020 7.0 x 2.0
8520 8.5 x 2.0

 

Led COB

I COB e SMD possono essere simili perché hanno diodi multipli sullo stesso chip. Su ogni chip COB ci sono più diodi tipicamente 9 o più. L’altra grande differenza tra la tecnologia COB e SMD risiede nel fatto che mentre gli SMD richiedono un circuito per ogni diodo sul chip, i dispositivi COB hanno solo 1 circuito e 2 contatti per l’intero chip, indipendentemente dal numero di diodi, portando a una notevole semplicità circuitale.

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, 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, 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.

Una lampada a incandescenza da 60 W alimentata a 220V, emette un flusso luminoso di circa 650 lumen. 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. 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% massimo);
  • 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;

 

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