I diodi a emissione di luce (LED) sono semiconduttori efficienti che generano luce attraverso un processo noto come elettroluminescenza. Sono più piccoli, duraturi e più affidabili delle lampade a incandescenza o fluorescenti. Con applicazioni nell'illuminazione, nei display e in settori specializzati, i LED offrono prestazioni elevate e risparmio energetico. Questo articolo fornisce informazioni sul funzionamento dei LED, le loro caratteristiche, la durata e i tipi avanzati.
Panoramica dei LED
Un diodo a emissione di luce (LED) è un dispositivo a semiconduttore che genera luce quando la corrente lo attraversa in avanti. A differenza delle lampadine a incandescenza, che si illuminano riscaldando un filamento, o delle lampade fluorescenti che si basano sull'eccitazione del gas, i LED funzionano attraverso l'elettroluminescenza, l'emissione diretta di fotoni quando gli elettroni si ricombinano con le lacune all'interno del semiconduttore. Questo processo li rende molto più efficienti e affidabili rispetto alle tecnologie precedenti. I LED si distinguono per il loro design compatto, la lunga durata, la durata contro urti e vibrazioni e il consumo energetico minimo.
Emissione di luce nei semiconduttori
Questa immagine spiega il processo di emissione della luce nei semiconduttori, che è il principio di funzionamento alla base dei LED. Quando un semiconduttore viene eccitato dalla corrente elettrica o dall'iniezione ottica, gli elettroni si spostano dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando una separazione tra elettroni e lacune. Questa differenza di energia è chiamata banda proibita (Eg).
Una volta eccitato, l'elettrone nella banda di conduzione alla fine si ricombina con un buco nella banda di valenza. Durante questo processo di ricombinazione, l'energia persa viene rilasciata sotto forma di fotone. L'energia del fotone emesso corrisponde esattamente alla banda proibita del materiale, il che significa che la lunghezza d'onda (o colore) della luce dipende dalla banda proibita del semiconduttore.
Caratteristiche elettriche dei LED
| Colore LED | Tensione diretta (Vf) | Corrente diretta (mA) | Appunti |
|---|---|---|---|
| Rosso | 1,6 – 2,0 V | 5 – 20 mA | Vf più basso, alta efficienza |
| Verde | 2,0 – 2,4 V | 5 – 20 mA | Vf leggermente più alto |
| Blu | 2,8 – 3,3 V | 5 – 20 mA | Richiede più tensione |
| Bianco | 2,8 – 3,5 V | 10 – 30 mA | Realizzato con LED blu + rivestimento al fosforo |
Emissione luminosa ed efficacia del LED
| Sorgente luminosa | Efficacia (Lumen per Watt) | Appunti |
|---|---|---|
| Lampadina a incandescenza | \~10–15 lm/W | La maggior parte dell'energia viene persa sotto forma di calore |
| Lampada alogena | \~15–25 lm/W | Leggermente meglio dell'incandescenza |
| Tubo fluorescente | \~50–100 lm/W | Richiede zavorra, contiene mercurio |
| Fluorescente compatto (CFL) | \~60–90 lm/W | Fattore di forma ridotto, in fase di eliminazione graduale |
| LED moderno | 120–200 lm/W | Disponibile nell'illuminazione di consumo |
| Prototipi LED di fascia alta | 250–300+ lm/W | Testato in laboratorio, mostra il potenziale futuro |
Colore dei LED e qualità della resa
Temperatura di colore correlata (CCT)
• Bianco caldo (2700K–3500K): Produce un bagliore giallastro, ideale per soggiorni, ristoranti e ambienti interni accoglienti.
• Bianco neutro (4000K–4500K): equilibrato e confortevole, spesso utilizzato in uffici, aule scolastiche e spazi di vendita al dettaglio.
• Bianco freddo (5000K–6500K): luce nitida e bluastra simile alla luce diurna, eccellente per l'illuminazione esterna, officine e ambienti con attività pesanti.
Indice di resa cromatica (CRI)
• CRI ≥ 80: Adatto per l'illuminazione domestica e commerciale.
• CRI ≥ 90: richiesto in aree che richiedono un giudizio preciso del colore, come studi d'arte, strutture mediche e vendita al dettaglio di fascia alta.
Durata dei LED e mantenimento del flusso luminoso
Lo standard L70
La durata dei LED è misurata dallo standard L70. Questo valore rappresenta il numero di ore di funzionamento prima che l'emissione luminosa del LED scenda al 70% della sua luminosità originale. A questo punto, il LED è ancora funzionante ma non fornisce più la qualità di illuminazione prevista. L70 garantisce un modo coerente per confrontare le prestazioni dei LED tra i produttori.
Durata dei LED
• LED di consumo: 25.000 – 50.000 ore di utilizzo.
• LED industriali: 50.000 – 100.000+ ore, progettati per condizioni più difficili e cicli di lavoro più elevati.
Gestione termica dei LED
Temperatura di giunzione (Tj)
La temperatura di giunzione è la temperatura interna nel punto in cui viene generata la luce all'interno del chip LED. I produttori specificano un intervallo di funzionamento sicuro inferiore a 125 °C. Se questo valore viene superato, la luminosità, l'efficienza e la durata del LED si riducono. Mantenere un Tj basso garantisce che il LED possa soddisfare le sue prestazioni nominali.
Percorso termico da giunzione a ambiente
Il calore prodotto all'interno del LED deve viaggiare dalla giunzione all'aria circostante. Questo percorso è chiamato percorso di giunzione-ambiente. I progettisti ne misurano l'efficacia utilizzando la resistenza termica (RθJA), espressa in °C/W. Una resistenza termica inferiore significa che il calore viene trasferito in modo più efficiente, mantenendo il LED più fresco e più stabile.
Metodi di raffreddamento
• Dissipatori di calore - Le alette in alluminio assorbono e diffondono il calore lontano dal LED.
- Vias termici - Piccoli fori placcati nel PCB conducono il calore dal pad LED agli strati di rame.
• PCB con anima metallica (MCPCB) - Utilizzate nei LED ad alta potenza, queste schede hanno una base in metallo che trasferisce il calore in modo efficiente.
• Raffreddamento attivo: le ventole o i sistemi di raffreddamento a liquido vengono utilizzati in ambienti difficili come proiettori, illuminazione di stadi o apparecchi industriali.
Metodi di guida a LED
Driver a corrente costante
Un driver a corrente costante mantiene stabile la corrente del LED anche quando la tensione di alimentazione fluttua. Questo è il modo più affidabile per alimentare i LED, in quanto previene la fuga termica e mantiene un'emissione luminosa costante. I driver di alta qualità spesso includono protezioni contro cortocircuiti, sovratensioni e condizioni di sovratemperatura.
Oscuramento PWM
La modulazione di larghezza di impulso (PWM) controlla la luminosità accendendo e spegnendo il LED a velocità molto elevate. Regolando il ciclo di lavoro (il rapporto tra tempo di accensione e tempo di spegnimento), la luminosità percepita cambia in modo fluido. Poiché la frequenza di commutazione è superiore al campo di rilevamento dell'occhio umano, la luce appare costante. I sistemi mal progettati con PWM a bassa frequenza possono causare sfarfallio visibile, con conseguente affaticamento degli occhi o artefatti della fotocamera.
Dimmerazione analogica
Nell'attenuazione analogica, la luminosità viene regolata modificando l'ampiezza della corrente che scorre attraverso il LED. Questo metodo evita problemi di sfarfallio ma può spostare leggermente il colore del LED, soprattutto a livelli di luminosità molto bassi. L'attenuazione analogica è spesso combinata con PWM nei sistemi avanzati per ottenere sia un controllo uniforme del colore che una regolazione precisa della luminosità.
Imballaggio e ottica LED
LED per dispositivi a montaggio superficiale (SMD)
I LED SMD sono il tipo più utilizzato nell'illuminazione moderna. Sono montati direttamente sul PCB e sono disponibili in dimensioni standard come 2835 e 5050. I LED SMD offrono una buona efficienza e flessibilità, rendendoli i migliori per strisce LED, lampadine domestiche e luci a pannello. Le loro dimensioni compatte consentono una facile integrazione in apparecchi sottili e leggeri.
LED Chip-on-Board (COB).
I pacchetti COB montano più die LED direttamente su un singolo substrato, creando una sorgente luminosa densa. Questo design offre una maggiore luminosità, un'emissione luminosa più uniforme e un abbagliamento ridotto rispetto ai singoli SMD. I LED COB si trovano in faretti, downlight e lampade ad alta potenza, dove è richiesta una forte illuminazione direzionale.
LED CSP (Chip-Scale Package)
La tecnologia CSP elimina gli imballaggi ingombranti, riducendo il LED quasi alle stesse dimensioni dello stampo del semiconduttore stesso. Ciò consente di realizzare design più piccoli, più efficienti e termicamente stabili. I LED CSP sono ampiamente utilizzati nei fari delle automobili, nella retroilluminazione degli smartphone e nei pannelli dei display, dove sono richieste compattezza e durata.
Ottica e controllo del fascio
La luce grezza di un contenitore LED non è sempre adatta per l'uso diretto. Per modellare e dirigere la luce, i progettisti utilizzano elementi ottici come le lenti per la messa a fuoco o la diffusione della luce. Riflettori per reindirizzare e controllare gli angoli del fascio. Diffusori per un'illuminazione morbida e uniforme.
Tipi di LED specializzati
LED UV
Emette luce ultravioletta per la sterilizzazione, l'indurimento dell'adesivo e il rilevamento di contraffazioni. Alternativa sicura e compatta alle lampade UV al mercurio.
LED IR
Produci luce infrarossa invisibile per telecomandi, visione notturna e sistemi biometrici. Efficiente e ampiamente utilizzato nell'elettronica e nella sicurezza.
OLED
I LED organici sottili e flessibili sono utilizzati in smartphone, TV e dispositivi indossabili. Offrono colori e contrasto vividi ma hanno una durata più breve.
Micro-LED
I display di nuova generazione offrono prestazioni più luminose, più efficienti e più durature rispetto agli OLED. Ideale per AR/VR, TV e smartwatch.
Diodi laser
Dispositivi a semiconduttore che creano fasci coerenti e ad alta intensità. Utilizzato in fibre ottiche, scanner, strumenti medici e puntatori laser.
Conclusione
I LED si sono trasformati in componenti versatili utilizzati nell'illuminazione, nei display e nelle tecnologie avanzate. La loro efficienza, durata e controllabilità li distinguono dalle fonti di luce più vecchie. Forme specializzate come UV, IR, OLED e micro-LED espandono ulteriormente il loro ruolo. Con continui miglioramenti, i LED rimangono fondamentali per il futuro dei sistemi di illuminazione sostenibili e ad alte prestazioni.
Domande frequenti [FAQ]
Domanda 1. Di quali materiali sono fatti i LED?
I LED sono realizzati con semiconduttori come l'arseniuro di gallio (GaAs), il fosfuro di gallio (GaP) e il nitruro di gallio (GaN).
Domanda 2. Perché i LED hanno bisogno di resistori?
I resistori limitano il flusso di corrente e proteggono i LED dalla bruciatura.
Domanda 3. Come sono fatti i LED bianchi?
I LED bianchi utilizzano un chip LED blu con un rivestimento al fosforo giallo per creare una luce bianca.
Domanda 4. Perché i LED cambiano colore nel tempo?
I LED cambiano colore a causa del calore e della degradazione del materiale, nonché della degradazione del fosforo.
Domanda 5. I LED possono funzionare in ambienti estremi?
Sì. Con un design adeguato, i LED possono funzionare in condizioni molto fredde, calde, umide o polverose.
Domanda 6. Come viene testata la durata dei LED?
I LED sono testati con stress termico, umidità ed elettrico per stimare la durata.