i LED

Cosa sono? E come funzionano?

In questo articolo ti parlerò dei LED.

Ti spiegherò cosa sono, come funzionano e quali sono le principali caratteristiche che devono rispettare.

Iniziamo!

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Cos’è un diodo LED

Quando l’energia reagisce con un materiale, avviene un processo di conversione di energia.

Quando un materiale converte una porzione di energia in luce si ha una “sorgente luminosa”.

Analizzeremo in questo articolo le sorgenti di luce a “semiconduttore“.

Il diodo che emette una sorgente luminosa viene chiamato LED (diodo a emissione di luce).

Elettricamente, è un dispositivo a due terminali, che conduce, come tutti i diodi, in una sola direzione.

Esso è realizzato con un materiale semiconduttore, che emette luce quando viene percorso da una corrente.

Luci a led
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Classico diodo LED

Un LED può essere realizzato per emettere luce visibile o luce infrarossa (non visibile).

Nel campo del visibile, veniva inizialmente usato come indicatore on/off in vari dispositivi elettronici ed elettrici, ad esempio calcolatrici e orologi.

La maggior parte dei LED subisce una diminuzione di efficienza anche con l’invecchiamento.

Come emettitori della luce ad infrarosso viene utilizzato ad esempio, ancora oggi, nei telecomandi tv.

luce ad infrarosso nei telecomandi tv led

Nei primi LED, l’efficienza luminosa (potenza luminosa prodotta diviso potenza elettrica all’ingresso) era piuttosto bassa, meno dell’1%.

Nonostante questi svantaggi, questi dispositivi sono stati utilizzati moltissimo come indicatori luminosi e sorgenti di luce.

Inizialmente, l’efficienza di un LED convenzionale (fotoni prodotti diviso elettroni introdotti) aveva un valore molto piccolo, ma il suo miglioramento ha avuto un continuo aumento con lo sviluppo tecnologico.

Negli anni sono stati migliorati tantissimo.

Hanno raggiunto alte prestazioni di luce, di affidabilità ed hanno bassissimi consumi energetici.

Oggi vengono utilizzati per l’illuminazione nei più svariati modi.

Controsoffitto in cartongesso
con illuminazione a led
Foto di STUDIOREMOTO.NET

Hanno praticamente sostituito le classiche lampadine a incandescenza.

Lampadina a led
Lampadina a LED.
Ha sostituito le vecchie lampadine a incandescenza.

Un esempio classico di applicazione è la striscia LED.

Come scegliere una striscia led

Come collegare una striscia led ad un alimentatore

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Come si illumina un LED

Il calore, o energia termica, è stato il sistema maggiormente utilizzato per produrre luce.

Un materiale viene riscaldato ad una temperatura alta per far sì che gli elettroni, che girano attorno agli atomi, acquistino energia sufficiente ad eccitarsi e a passare su orbite atomiche più esterne.

Essi, successivamente, decadono tornando all’orbita originale.

rappresentazione atomo

L’emissione dei fotoni luminosi avviene durante il ritorno dell’elettrone alla propria orbita originale.

Poiché gli atomi hanno solamente un numero limitato di orbite atomiche distinte su cui sono gli elettroni, la luce emessa da un certo tipo di atomo avrà solamente quelle lunghezze d’onda associate alle orbite possibili.

Un diodo a semiconduttore viene stimolato in modo da emettere una radiazione luminosa.

In che modo?

Gli elettroni iniettati dal catodo si dirigono verso la giunzione PN, dove si ricombinano con le lacune, dando origine a dei fotoni.

Il fenomeno è conseguenza diretta della ricombinazione tra lacune ed elettroni, che avviene in prossimità della giunzione PN polarizzata direttamente.

Processo di ricombinazione

Quando gli elettroni vengono immessi nella regione N di un diodo di tipo PN, come mostrato in figura, e giungono in prossimità della giunzione, si ricombinano con delle lacune.

Questa ricombinazione è simile a quello che avviene a un elettrone di un livello energetico alto che ricade a un livello energetico inferiore.

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Caratteristiche dei LED

Dopo aver visto alcune delle prestazioni più importanti, analizziamo le caratteristiche, utilizzando le informazioni che ci vengono fornite dai costruttori, contenute nelle schede tecniche.

Questi componenti hanno ormai rimpiazzato le lampadine, ed hanno una grande affidabilità, bassi costi, basso consumo di potenza, resistenza alle vibrazioni, velocità in risposta e dimensioni contenute.

Sono facili da usare sia con i dispositivi digitali, sia con quelli analogici.

Le caratteristiche principali si possono dividere in tre parti: elettro-ottiche, ottiche e elettriche.

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Caratteristiche elettro-ottiche

Le caratteristiche elettro-ottiche forniscono un’informazione sulla luce, ottenibile in funzione della corrente che attraversa il dispositivo.

In base all’uso che ne dobbiamo fare, possiamo usare i dati forniti dai data-sheet per esaminare queste caratteristiche.

Ad esempio, per un diodo al GaAsP (fosfuro-arseniuro di gallio), con un funzionamento a 25 °C, notiamo che la lunghezza d’onda tipica è di 6500 Å.

Questo led avrà un rosso visibile intenso.

Nella tabella seguente ti elencherò alcuni led ed i materiali utilizzati per realizzarli.

MaterialeLunghezza d’onda (Λ,λ)Radiazione prodotta
InSb
(antimoniuro di indio)
69.000Infrarosso
InAs
(arseniuro di indio)
34.500Infrarosso
GaSb
(antimoniuro di gallio)
17.700Infrarosso
InP
(fosfuro di indio)
9.850Infrarosso
GaAs
(arseniuro di gallio)
8.980Infrarosso
GaAsP
(fosfuro-arseniuro di gallio)
6.500Rosso
GaP
(fosfuro di gallio)
5.650Verde
SiC
(carburo di silicio)
4.960Blu
GaN
(nitruro di gallio)
4.000Violetto

Tieni presente che l’intensità luminosa diminuisce all’aumentare della temperatura.

Anche la lunghezza d’onda può spostarsi con la temperatura.

Nella maggior parte delle applicazioni, questo spostamento non è rilevabile dall’occhio umano.

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Caratteristiche ottiche

Le caratteristiche ottiche dei LED includono:

  • il colore (lunghezza d’onda);
  • l’angolo di propagazione;
  • il tipo di lente usato dal dispositivo.
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Caratteristiche elettriche

Le caratteristiche elettriche sono simili a quelle di un qualsiasi diodo a semiconduttore.

Un altro parametro importante è l’affidabilità.

Ad esempio, in un LED all’infrarosso di arseniuro di gallio, la variazione della luminosità varia all’aumentare del tempo di funzionamento.

Se la corrente diretta è di 10 mA (10 milliampere), la variazione di luminosità è ancora insignificante dopo 100.000 ore di funzionamento.

La luminosità diminuisce più velocemente se la corrente di funzionamento è più alta.

Circuito indicatore di livello di carica per batterie a 4 led.

Semplice circuito che può essere utilizzato per indicare lo stato di carica di una batteria.

Utilizzando solo Diodi Led, Resistenze e Diodi Zener.

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