Tecnologia LED

LED è un acronimo per Light-Emitting Diode (diodo ad emissione di luce). Il primo LED è stato sviluppato da Nick Holonyak Jr. (nato nel 1928) nel 1962.

Funzione fisica

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'efficenza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

Vari tipi di LED

Assorbimento

Per quanto riguarda gli assorbimenti, questi sono maggiori nei LED normali rispetto a quelli ad alta luminosità, secondo la seguente tabella:

Tipologia LED	Assorbimento (mA)
LED normali	20 - 40
LED flash	10 - 15

Forza Commerciale

La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro potenzialità di ottenere elevata luminosità (quattro volte maggiore di quella delle lampade flourescenti e filamento di tugsteno), basso prezzo, elevata efficienza ed affidabilità(la durata di un LED è di molti ordini di grandezza superiore a quella delle classiche sorgenti luminose, specie in condizioni di stress meccanici); inoltre essi non richiedono circuti di alimentazione complessi, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuti integrati al silicio.

Efficienza ed Affidabilità

I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata efficienza luminosa A.U./A e di affidabiltà. I primi LED ad alta efficienza sono stati investigati dall'ingegnere Alberto Barbieri presso i laboratori delluniversità di Cardiff (GB) nel 1995, rilevando ottime caratteristiche per dispositivi in AlGaInP/GaAs con contatto trasparente di Indio e Stagno (ITO). L'evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere delle sorgenti luminose del futuro che hanno tutte le caratteristiche per sostituire quasi tutte quelle ad oggi utilizzate.

schema circuitale

Caratteristiche tecniche

In molti casi i LED sono alimentati in continua con una resistenza in serie Rs per limitare la corrente diretta al valore di lavoro, il quale può variare da 5-6 mA fino a 20 mA quando molta luce è richiesta. Il valore della resistenza in serie Rs è calcolato mediante la legge di Ohm conoscendo la corrente di lavoro richiesta If, la tensione di alimentazione Vs e la differenza di potenziale del LED alla corrente di lavoro data, Vf.

Nel dettaglio, la formula per calcolare la resistenza in serie necessaria è:

$R_s={V_s-V_f \over I_f}$ che ha come unità di misura $ohm={volt\over ampere}$

Esempio: qualora risultino V_s = 12 volt, V_i = 1,8 volt e I = 20 mA si ha

$R_s={12-1,8 \over 0,02} = 510 \Omega$

La differenza di potenziale del LED Vf può essere stimata da quella data per una corrente di 20 mA nel datasheet del prodotto. I LED devono essere fatti operare solo con tensione diretta e non devono essere sottoposti a tensioni inverse che potrebbero danneggiarli.

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.

Se un LED viene alimentato in alternata deve essere protetto dalla tensione inversa mediante un semplice circuito. Il metodo più semplice è quello di usare un diodo collegato in parallelo al LED che limita tutte le tensioni inverse. Ciò protegge il LED, ma, durante il ciclo negativo della sinusoide, non viene emessa luce riducendone così l'efficenza. Un metodo alternativo più efficiente e che inoltre mantiene attiva l'uscita luminosa consiste nell'usare un ponte di quattro diodi per assicurare che una corrente diretta scorra sempre attraverso il 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. Quando sono richiesti valori d'uscita più alti normalmente si tende a non usare correnti continue, ma ad usare delle correnti pulsanti con duty cycle scelto in maniera opportuna. Ciò permette alla corrente e, di conseguenza, alla luce di essere notevolmente incrementate, mentre la corrente media e la potenza dissipata rimangono nei limiti consentiti.

Polarità e controllo di un LED

Il terminale più lungo di un diodo o di un led è l'anodo (+) in contrapposizione quindi al catodo, terminale più breve, come si può vedere nelle immagini sottostanti, dove sono evidenziati anodo e catodo. Le polarità vengono inoltre contraddistinte sull'involucro tramite un taglio: se si guarda infatti il led dall'alto, si puo' notare come una piccola parte della circonferenza di base sia smussata. In corrispondenza del taglio troviamo un reoforo che è collegato al catodo del dispositivo. Generalmente cio' è visibile su led da 5mm o superiori. Nel caso dei led 3mm, si rende necessario l'uso di un tester in quanto tale taglio (se presente) non è quasi visibile. Se si utilizza un tester, dopo aver selezionato la scala di resistenza, se si pone il puntale positivo sull'anodo e il puntale negativo sul catodo, il tester segnerà un valore di resistenza (ordine dei kΩ), invertendo i puntali, invece, il tester non dovrà segnare alcuna continuità. Cio' indica che il diodo è funzionante e si sono anche determinate le polarità.

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

Inoltre, la caduta di tensione dei LED è relazionata al colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella:

Tipologia LED	Caduta di tensione V_{i (volt cc)}
Colore rosso	1,8
Colore verde	2,0
Colore giallo	1,9
Colore arancio	2,0
Flash blu/bianco	3,0

Tratto da