Che cos'e' un LED?

Nov 15, 2000 - by filippo

Italiano

LED è l'acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa).
Il primo LED è stato sviluppato da Nick Holonyak Jr. nel 1962.

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.

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 90 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 non 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 avere elevata affidabilità, lunga durata ed elevata efficienza. Alcune delle principali sono:

  • cartelloni a messaggio variabile
  • nei telecomandi a infrarossi
  • indicatori di stato (lampade spia)
  • retroilluminazione di display LCD
  • nei semafori e negli "stop" delle automobili
  • 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, il rendimento quantita di luce/consumo 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 lampadina ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen. Inoltre i LED più luminosi sono ancora quelli a luce fredda con resa cromatica relativamente bassa.

Il loro utilizzo diventa invece molto più interessante in ambito professionale dove il rendimento di 40-60 lm/W li rende una sorgente appetibile. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha rendimenti di circa 20 lm/W, mentre una alogena di 25 lm/W ed una fluorescente lineare fino a 104 lm/W.

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 (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 3 e 24 Vdc)
  • accensione a freddo (fino a -40°C) senza problemi
  • insensibilità a umidità e vibrazioni
  • assenza di mercurio

 

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

Colori

I LED convenzionali sono composti da vari materiali inorganici che 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

 

Vero o falso?

Durata di vita infinita?
Diversi fattori influenzano la durata di vita dei LED, come ad esempio il calore raggiunto da un LED. Essenzialmente va detto che un LED viene considerato guasto, se il flusso luminoso è pari al 50 per cento del valore iniziale. La maggior parte dei produttori oggi parla di una durata di vita di circa 50.000 ore, per indicare una caratteristica ben nota ai più.

Luce calda o fredda?
Nella luce emessa da un LED non è presente alcuna radiazione UV e IR. La luce emessa è fredda: ciò significa che gli oggetti irradiati non vengono riscaldati. Tuttavia lo stesso LED e dunque l’intero modulo si riscaldano. Tale calore deve essere eliminato per mantenere alta il più possibile la durata di vita. Pertanto anche la temperatura ambiente è significativa per la durata di vita di un LED. E di conseguenza il LED funziona particolarmente bene a temperature basse.

I diodi luminosi consumano poca corrente elettrica!
Maggiore è la potenza che deve essere liberata da un modulo LED, maggiore è il consumo di corrente elettrica. Però: circa il 30 per cento dell’energia viene trasformato in luce. I LED bianchi, con circa 45 Lumen per Watt di efficienza luminosa, vengono considerati molto efficienti.
In fatto di consumo tenere presente che ciascun colore ha un’efficienza diversa: per esempio i led di colore rosso sono particolarmente efficienti rispetto agli altri.

La luce dei LED non è gradevole!
Affermazione superata. Oggi i processi di produzione si sono così perfezionati che è possibile raggiungere temperature del colore da 6.500 fino a 2.700 Kelvin e dunque una una certa varietà di tonalità.