Illuminazione LED Integrato

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Illuminazione Led Integrato

In elettronica il Led a emissione di luce è un dispositivo optoelettronico che sfrutta la possibilità di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni per mezzo di un fenomeno di emissione spontanea.

L'emissione si origina dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna secondo il principio del Led a giunzione, caratterizzato dalla presenza nel dispositivo di due zone drogate diversamente in modo da avere portatori di carica diversi.

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 Shuji Nakamura dell'Università della California, Santa Barbara per le ricerche sul Led a luce blu.

Led a due colori

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

I primi Led ad emissione luminosa erano disponibili solo di tonalità rossa. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. In seguito, 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.

Attualmente esistono Led "bicolore" che integrano nello stesso corpo due Led in antiparallelo, ciascuno di diverso colore; così facendo, per variare la colorazione del Led, è sufficiente alimentarlo con polarità opposta. L'unico inconveniente 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 l'introduzione di Led a luce blu, fu possibile realizzare dispositivi che potevano generare qualsiasi colore attraverso l'integrazione di tre Led di colore rosso, verde e blu. Di pari passo, 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 a giunzione p-n sono un particolare tipo di Led formati da un sottile strato di materiale semiconduttore. Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del Led 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 arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di gallio (GaP), fosfuro arseniuro di gallio (GaAsP), carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio e indio (GaInN).

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.

Caratteristiche

Emissione luminosa

Il led può avere un'emissione:

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

Spettro luminoso

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

Temperatura di colore

La necessità di disporre di una ampia varietà di tonalità di colore in luce bianca, esigenza prevalente nell'illuminazione all'interno degli edifici, ha indotto i costruttori a differenziare sensibilmente questi dispositivi in base alla temperatura di colore; 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.

L'evoluzione dei materiali è stata la strada principale 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 Chip On Board (COB), minuscole strisce di DIE disposte a matrice direttamente sul substrato del dispositivo. Su alcuni nuovi modelli di autovetture e ciclomotori sono presenti in sostituzione delle lampade a filamento per le luci di "posizione" e "stop". 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.

L'incremento di efficienza è in continuo aumento.

Alimentazione

I Led si alimenta con 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 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).

Se vengono alimentati a corrente alternata occorre proteggerli ponendovi in parallelo un Led con polarità invertita rispetto al Led ("antiparallelo").

Raramente, si può usare un ponte di quattro Led per assicurare che una corrente diretta scorra sempre attraverso il Led.

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 Led di protezione e, ancora in serie, un resistore di protezione che serve a limitare la scarica all'accensione.

La quantità massima 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.

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.

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).

Utilizzi

I Led in questi anni si sono diffusi in tutte le applicazioni in cui serve:

• basso consumo;
• elevata efficienza;
• lunga durata;
• elevata affidabilità.

Alcuni principali utilizzi:

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

Dal 2006 la città di Raleigh - nel Carolina del Nord - è considerata la prima città a Led del mondo, per il rinnovamento tecnologico attuato per promuovere l'uso dell'illuminazione a Led.

Forza Commerciale

La forza commerciale del Led si basa sulla sua 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). Il Led lavora a bassa tensione, possiede alta velocità di commutazione e la tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuiti integrati al silicio.

Evoluzione

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).

Impiego nell'illuminazione

Il Led è sempre più utilizzato in ambito illuminotecnico in sostituzione di alcune sorgenti di luce tradizionali. Il auo utilizzo nell'illuminazione domestica, quindi in sostituzione di lampade ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte (chiamate a risparmio energetico), 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.

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.

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 del Led dal punto di vista illuminotecnico sono:

• minor calore generato nell'ambiente rispetto ad altre tecnologie per l'illuminazione;
• possibilità di regolare l'intensità luminosa (solo su alcuni modelli);
• possibilità di creare apparecchi illuminanti di nuova foggia per via dell'impatto dimensionale ridotto;
• assenza di mercurio;
• accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi;
• funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc);
• possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme);
• flessibilità di installazione del punto luce;
• facilità di realizzazione di ottiche efficienti di plastica;
• 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);
• elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene);
• costi di manutenzione-sostituzione ridotti;
• durata di funzionamento (i Led ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore con una perdita del flusso luminoso del 10% max).

Gli svantaggi sono:

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