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'efficienza 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 fluorescenti e
filamento di tungsteno), 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 circuiti
di alimentazione complessi, possiedono alta velocità di
commutazione e la loro tecnologia di costruzione è
compatibile con quella dei circuiti integrati al
silicio.
Efficienza ed Affidabilità
I LED sono
particolarmente interessanti per le loro caratteristiche
di elevata efficienza luminosa A.U./A e di affidabilità.
I primi LED ad alta efficienza sono stati investigati
dall'ingegnere Alberto Barbieri presso i laboratori
dell'Università 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.
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:
che ha come unità di misura
- Esempio:
qualora risultino
Vs
= 12 volt, Vi
= 1,8 volt e I
= 20 mA si ha
-
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 pi� 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'efficienza. Un metodo alternativo pi�
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 pi� 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 pi�
lungo di un diodo o di un led è l'anodo (+) in
contrapposizione quindi al catodo, terminale pi� 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 può 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 ciò 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. Ciò 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 Vi
(volt cc) |
Colore rosso |
1,8 |
Colore verde |
2,0 |
Colore giallo |
1,9 |
Colore arancio |
2,0 |
Flash blu/bianco |
3,0 |
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