LED è l'acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa). Il primo LED è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr.. 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.
Storia
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 novanta 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 fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore.
Uso
I LED in questi anni si sono diffusi in tutte le applicazioni in cui serve:
-elevata affidabilità
-lunga durata
-elevata efficienza
-basso consumo.
Alcuni utilizzi principali sono:
-nei telecomandi a infrarossi
-indicatori di stato (lampadine spia)
-retroilluminazione di display LCD
-nei semafori e negli "stop" delle automobili
-nei lampeggianti dei veicoli d'emergenza (ambulanze, polizia, ecc.)
-cartelloni a messaggio variabile
-illuminazione
Dal 2006 la città di Raleigh, nel Carolina del Nord, è considerata la prima città a LED del mondo, per il consistente rinnovamento tecnologico attuato dalla cittadina per promuovere l'uso dell'illuminazione a LED.
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 integrati al silicio.
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, l'efficienza luminosa quantità di luce/consumo (lm/W) 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 lampada ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen; in merito a questa tipologia di lampada, una normativa della Comunità Europea prevede nell'arco di 7 anni, a partire dal 1-9-2009, il divieto di vendita in tutti i paesi della Comunità, graduandone annualmente il divieto in base alla potenza in watt.
Il loro utilizzo diventa invece molto più interessante in ambito professionale, dove l'efficienza luminosa pari a 40-60 lm/W li rende una sorgente appetibile. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un'efficienza luminosa di circa 20 lm/W, mentre una lampada ad alogeni di 25 lm/W ed una fluorescente lineare fino a 104 lm/W. Altro loro limite nell'illuminazione funzionale è che le loro caratteristiche di emissione e durata sono fortemente condizionate dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione. Diventa dunque difficile individuare rapporti diretti tra le varie grandezze, tra le quali entra in gioco anche un ulteriore parametro, ovvero l'angolo di emissione del fascio di luce, che può variare in un intervallo compreso tra circa 4 gradi e oltre 120.
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 (i 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 i 3 e i 24 Vdc)
-accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi
-insensibilità a umidità e vibrazioni
-assenza di mercurio
-durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti
Caratteristiche
Reversibilità
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 e per molti altri scopi
Emissione luminosa
Il led può avere un'emissione:
-Continua, il led emette costantemente luce
-Intermittente, il led emette luce a intervalli di tempo regolari, cosa ottenibile con circuiti astabili o con led intermittenti
Spettro luminoso
Spettro luminoso di vari LED, messi a confronto con lo spettro visivo dell'occhio umano e della lampada ad incandescenza
Lo spettro luminoso dei led, varia molto a seconda del led stesso, se il led viene usato per motivi d'illuminazione, si ha generalmente una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche del 100%, mentre se usato in altre applicazioni si possono avere tranquillamente led che emettono luce non visibile.
Colore della luce emessa
A seconda del drogante utilizzato, i LED 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
La tensione applicata alla giunzione dei LED dipende dall'atomo drogante, il quale determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella: l'elevatissima efficienza nel trasformare la corrente elettrica in luce, con conseguente bassissimo consumo in rapporto alla luce emessa ne fanno il futuro sostituto di tutte le tipologie di lampadina. Anche per la luce bianca, spaziando nella temperatura di colore 3000-10000 K, sono disponibili dispositivi con emissione di tonalità fredda, normale e calda.
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.
Storia
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 novanta 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 fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore.
Uso
I LED in questi anni si sono diffusi in tutte le applicazioni in cui serve:
-elevata affidabilità
-lunga durata
-elevata efficienza
-basso consumo.
Alcuni utilizzi principali sono:
-nei telecomandi a infrarossi
-indicatori di stato (lampadine spia)
-retroilluminazione di display LCD
-nei semafori e negli "stop" delle automobili
-nei lampeggianti dei veicoli d'emergenza (ambulanze, polizia, ecc.)
-cartelloni a messaggio variabile
-illuminazione
Dal 2006 la città di Raleigh, nel Carolina del Nord, è considerata la prima città a LED del mondo, per il consistente rinnovamento tecnologico attuato dalla cittadina per promuovere l'uso dell'illuminazione a LED.
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 integrati al silicio.
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, l'efficienza luminosa quantità di luce/consumo (lm/W) 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 lampada ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen; in merito a questa tipologia di lampada, una normativa della Comunità Europea prevede nell'arco di 7 anni, a partire dal 1-9-2009, il divieto di vendita in tutti i paesi della Comunità, graduandone annualmente il divieto in base alla potenza in watt.
Il loro utilizzo diventa invece molto più interessante in ambito professionale, dove l'efficienza luminosa pari a 40-60 lm/W li rende una sorgente appetibile. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un'efficienza luminosa di circa 20 lm/W, mentre una lampada ad alogeni di 25 lm/W ed una fluorescente lineare fino a 104 lm/W. Altro loro limite nell'illuminazione funzionale è che le loro caratteristiche di emissione e durata sono fortemente condizionate dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione. Diventa dunque difficile individuare rapporti diretti tra le varie grandezze, tra le quali entra in gioco anche un ulteriore parametro, ovvero l'angolo di emissione del fascio di luce, che può variare in un intervallo compreso tra circa 4 gradi e oltre 120.
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 (i 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 i 3 e i 24 Vdc)
-accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi
-insensibilità a umidità e vibrazioni
-assenza di mercurio
-durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti
Caratteristiche
Reversibilità
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 e per molti altri scopi
Emissione luminosa
Il led può avere un'emissione:
-Continua, il led emette costantemente luce
-Intermittente, il led emette luce a intervalli di tempo regolari, cosa ottenibile con circuiti astabili o con led intermittenti
Spettro luminoso
Spettro luminoso di vari LED, messi a confronto con lo spettro visivo dell'occhio umano e della lampada ad incandescenza
Lo spettro luminoso dei led, varia molto a seconda del led stesso, se il led viene usato per motivi d'illuminazione, si ha generalmente una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche del 100%, mentre se usato in altre applicazioni si possono avere tranquillamente led che emettono luce non visibile.
Colore della luce emessa
A seconda del drogante utilizzato, i LED 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
La tensione applicata alla giunzione dei LED dipende dall'atomo drogante, il quale determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella: l'elevatissima efficienza nel trasformare la corrente elettrica in luce, con conseguente bassissimo consumo in rapporto alla luce emessa ne fanno il futuro sostituto di tutte le tipologie di lampadina. Anche per la luce bianca, spaziando nella temperatura di colore 3000-10000 K, sono disponibili dispositivi con emissione di tonalità fredda, normale e calda.
Fonte: Wikipedia
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