In elettronica un diodo a emissione luminosa o LED (sigla inglese di Light Emitting Diode) è un dispositivo   optoelettronico che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni attraverso il fenomeno   dell'emissione spontanea ovvero a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Il primo è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holony

 

 

Storia

I primi diodi ad emissione luminosa erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. Successivamente ne vennero sviluppati alcuni 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 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 diodi (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore, parallelamente, la quantità di luce emessa, competitiva con le comuni lampadine, porta a prevedere nell'arco del tempo, un impiego generalizzato in tutti i campi.

 

Funzionamento

 

I LED sono un particolare tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore. Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo ricoperto con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune.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 sotto forma di fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce ovvero fotoni ottici. Può essere visto quindi anche come un trasduttore elettro-ottico. Il colore o frequenza 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. L'esatta scelta dei semiconduttori determina dunque la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita. I LED possono essere 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). Anche se non è molto noto i LED se colpiti da radiazione luminosa nello spettro visibile, infrarosso o ultravioletto (dipendentemente dal LED utilizzato come ricevitore) producono elettricità esattamente come un modulo fotovoltaico. I LED di colore blu e infrarosso producono tensioni considerevoli. Questa particolarità rende possibile l'applicazione dei LED per sistemi di ricezione di impulsi luminosi. Intorno a questa proprietà sono stati sviluppati molti prodotti industriali come sensori di distanza, sensori di colore, sensori tattili e ricetrasmettitori. Nel campo dell'elettronica di consumo il sistema di comunicazione irDA è un buon esempio proprio perché sfrutta appieno questa particolarità. Il LED ha una durata molto variabile a seconda del flusso luminoso (corrente di lavoro) e

 

Caratteristiche

 

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 materiale 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 dalla banda proibita del materiale, la quale determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella:

 

Tipologia LED

tensione di giunzione Vf (volt)

Colore infrarosso

1,3

Colore rosso

1,8

Colore giallo

1,9

Colore verde

2,0

Colore arancione

2,0

Flash blu/bianco

3,0

Colore Blu

3,5 V

Colore Ultravioletto

4 ÷ 4,5 V

 

 

 

Costi ed efficienza energetica:

 

 

 

 

Tecnologia LED

Incandescenza

Fluorescenti (CFL)

Durata Media

50’000 ore

1’200 ore

7’500 ore

Watt per lumen100

18-20 lumen/W

3 lumen/W

7-8 lumen/W

KiloWatts x 30 lampadine
in un anno

327kW/anno

3’286kW/anno

766 kW/anno

Costo stimato

81€/anno

821€/anno

191.5€/anno

 

 

 

Proprietà:

 

 

ecnologia LED

Incandescenza

Fluorescenti (CFL)

Sensibilità all’umidità

No

In alcuni casi (per l’elevate temperature di esercizio)

Si

Sensibilità alle basse temperature

No

In alcuni casi

Si, sotto i 10° possono non funzionare

Sensibilità agli spegnimenti ripetuti

No, infatti, vengono utilizzati per flash e luci stroboscopiche

In parte, a lungo andare diminuiscono la durata

Si, gli on/off ripetuti riducono drasticamente la durata della lampadina

Calore emesso

3.49btu/ora

86btu/ora

30btu/ora

Accensione istantanea

Si

Si

No, l’accensione richiede qualche minuto di riscaldamento

Resistenza agenti esterni

Molto resistente, non teme vibrazioni, sbalzi di temperatura e umidità

Il vetro esterno è delicato e l’intenso calore non la rende adatta ad un ambiente lavorativo dove se ne può venire a contatto

Il vetro in cui sono a tenuta i vapori di mercurio è facile da rompere. Inoltre, le esalazioni possono essere causa di problemi alla salute.

 



 

Impatto Ambientale:

 

 

Tecnologia LED

Incandescenza

Fluorescenti (CFL)

Conforme alla normativa RoHS

Si

Si

No, contenendo fino a 5mg di Mercurio non può rientrare nella normativa

Contiene Mercurio

No

No

Da 1 a 5mg per lampadina, dannoso per la salute e l'ambiente.

Emissioni di CO2x30 lampadine in un anno

203kg/anno

2'040kg/anno

76kg/anno

 

*Un minor consumo di energia elettrica si converte in minor emissioni di CO2, ossidi di zolfo, ossidi di azoto, particolato e piombo nell'ambiente.

 

Esempi di resa luminosa:

 

 

Tecnologia LED

Incandescenza

Fluorescenti (CFL)

450 lumen

3-4W

40W

10-14W

800 lumen

6-9W

60W

14-16W

1100 lumen

8-13W

75W

20-24W

1600 lumen

13-15W

100W

24-32W

2600 lumen

21-25W

150W

30-55W