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Elettrotecnica

 

Led per illuminare

LED o diodo luminoso.
Viene spontanea la domanda: nuova lampada destinata a rivoluzionare il modo tradizionale di concepire gli impianti di illuminazione, oppure ennesima novità di prodotto, adatta per impieghi ben definiti, che arricchisce la già ampia gamma di lampade in commercio?

I pareri sono discordi e oggi è difficile, forse impossibile, esprimere giudizi definitivi.
Stanno migliorando, quasi mese dopo mese, le caratteristiche e le prestazioni dei led e si aprono nuovi campi di impiego.

Tutto ciò avviene perché grandi aziende multinazionali, in concorrenza tra loro, hanno deciso di investire nell’innovazione legata a queste nuove sorgenti di luce.

Che cosa cambia, in sostanza?
Innanzitutto qualcosa di nuovo si registra proprio nel modo di generare la luce.
Nelle lampade a incandescenza (dall’invenzione ottocentesca di Thomas Edison in poi) la luce è prodotta tramite il riscaldamento di un sottile filamento (metallico) ottenuto con il transito di corrente elettrica (effetto Joule).

Nelle lampade a scarica, una miriade di piccole folgori all’interno di una massa di sostanze aeriformi (vapori o gas), confinata in un involucro di materiale trasparente o semitrasparente, genera sequenze di radiazioni a determinate frequenze.

Nel led non ci sono gas “elettrizzati” o “folgorati”, né filamenti incandescenti, ma solo una minuscola pastiglia (il “chip”) di materiale semiconduttore, opportunamente drogato, in cui gli elettroni di alcuni atomi presenti in una zona sono spinti, da una differenza di potenziale elettrico, a cadere negli spazi vuoti (o “lacune”) degli atomi presenti in un’altra zona. La luce scaturisce da questo decadimento elettronico, spiegato nei dettagli dalla fisica quantistica.

Ma questo è solo il primo punto di differenza.
Un secondo aspetto è altrettanto interessante: dai diagrammi energetici (figura 1) risulta chiaramente che il led produce gruppi di radiazioni raccolte intorno a una radiazione principale che assume il massimo valore di potenza (radiazione di picco).


La sua lunghezza d’onda (o la sua frequenza) diventa il parametro radiometrico caratterizzante.

Si noti, inoltre, che al di fuori di questo gruppo non compaiono altre radiazioni, e comunque la potenza in esse contenuta è assai ridotta.
Il led è definibile come una sorgente a banda stretta; il suo spettro, infatti, è raccolto in un intervallo di lunghezze d’onda che oscilla - nelle sue potenze rilevanti - tra i 20 e i 30 nanometri.
A differenza delle sorgenti tradizionali, il led emette in pratica solo nel range delle radiazioni visibili.

Ma vediamo più nei particolari come funziona il led.

Le radiazioni emesse si propagano in tutte le direzioni, in modo non determinabile.
Nella maggioranza dei led in produzione si colloca un elemento di substrato sotto il chip, che ha il compito di riflettere e rifrangere le radiazioni in modo da creare un solido fotometrico, ossia una distribuzione del flusso che occupi l’emisfero superiore dello spazio che circonda il led.

Da questi ulteriori trattamenti dipende, in una certa misura, l’efficienza del diodo luminoso, considerato che si verificano fenomeni di assorbimento e dispersione in questa prima fase della propagazione.
Intorno al chip si dispongono elementi ottici che lavorano in riflessione e in rifrazione.
Nel loro insieme compongono la micro ottica primaria del led.
In particolare, lo strato di materiale trasparente o semitrasparente che ricopre il chip al fine di proteggerlo lavora in rifrazione doppia (in ingresso e in uscita delle radiazioni), come una piccola lente.

Per far transitare corrente nel semiconduttore è necessario applicare ai capi del chip una differenza di potenziale elettrico, vale a dire una tensione.

Una parte dell’energia trasportata dagli elettroni si trasforma in luce, mentre un’altra si traduce in calore, per effetto Joule. Ogni led è progettato per generare flusso luminoso a un determinato valore della corrente continua (chiamata corrente di pilotaggio) e della temperatura presente nel semiconduttore (temperatura di giunzione).

Generalmente i produttori stabiliscono un valore in gradi (di solito 25 o 40 °C) per questa temperatura e un valore in milliampere (mA) per la corrente, rispetto ai quali il led produce un certo flusso luminoso, una certa quantità di lumen (figure 2 e 3).

                           

Figura 2 - Variazione del flusso luminoso (in percentuale) in funzione della temperatura di giunzione. A 90° si ha una riduzione del flusso di circa il 15%

Figura 3 - Variazione del flusso luminoso (in percentuale) in funzione della corrente di pilotaggio


Al valore della corrente di pilotaggio corrisponde una differenza di potenziale ai capi del chip (figura 4).

Figura 4 - Variazione della corrente di pilotaggio in funzione della caduta di tensione

Il flusso reso è proporzionale alla corrente per cui aumentando i milliampère si ottengono più lumen, mantenendo costante la temperatura di giunzione.
Il rapporto tra corrente e tensione non è lineare.
È sufficiente un debole incremento della tensione per provocare un forte aumento della corrente, che a sua volta causa un rialzo della temperatura.

Alti valori della corrente di pilotaggio decurtano la durata del led; d’altro canto, le correnti deboli comportano la riduzione dei flussi.
È importante, dunque, mantenere la corrente ad un valore quanto più costante.
A questa funzione provvede il dispositivo di alimentazione, l’alimentatore/convertitore.
Dovendo funzionare con la normale tensione di rete in ingresso, al valore normalizzato in Europa di 230 V, l’alimentatore lavora per ridurre questa tensione e per convertire la corrente alternata in corrente continua.
Da qui il nome di alimentatore/convertitore, o semplicemente convertitore.

Come si è detto, tutti i diodi luminosi emettono luce con spettri a banda stretta (luce pressoché monocromatica).

La luce eterocromatica necessaria per illuminare gli ambienti si ottiene miscelando le radiazioni.
In pratica si seguono varie modalità per le sintesi:
- luce eterocromatica (bianca) per sintesi additiva di tre colori primari (sistema rgb - da red, green, blue) con l’eventuale aggiunta di luce bianca ottenuta con la modalità 2;
- luce eterocromatica (bianca) per sintesi additiva di colori complementari (blue, yellow) (utilizzo di sostanze a base di fosfori nel rivestimento protettivo del chip);
- luce eterocromatica (bianca) per trasformazione di radiazioni ultraviolette in radiazioni visibili (utilizzo di fosfori);
- luce eterocromatica (bianca) per sintesi additiva di tre colori (sistema awb, da amber, white, blue).

Con i led cambia il modo di generare luce bianca. È possibile, infatti, integrare in una sola sorgente luminosa tre led, oppure tre chip in un solo led (led multichip).
Ogni fonte è in grado di generare luce dei colori rosso, verde e blu, ossia i tre colori primari della sintesi additiva.

Miscelando e regolando singolarmente questi colori otteniamo diverse tonalità di luce bianca, fino a colorare il bianco di una singola tinta, quando le restanti due sono regolate al minimo.
La ricerca della più adatta tonalità della luce bianca diventa così una questione di regolazione differenziata.

Lo stesso procedimento che sfrutta il principio della sintesi additiva viene usato per ottenere luce bianca da tre lampade fluorescenti colorate, ma nel caso dei led ci si avvantaggia delle piccole dimensioni, cioè della caratteristica compattezza della componente all’interno dell’apparecchio di illuminazione.

Con lampade di piccolo formato è possibile ottenere un’ottima miscelazione collocando, sopra i tre (o i quattro) chip, una lente capace di fondere i tre flussi e ottenere luce bianca priva di striature o viraggi cromatici.

Un primo criterio di analisi per tipi e modelli, si basa sulla destinazione d’uso.

Come si è detto, il led idoneo per gli impieghi nel campo della segnalazione si è affermato per primo, a partire dagli anni 60.
Si basa sulla tecnologia chiamata “Through hole technology” (Tht); si caratterizza per le forme tondeggianti della piccola capsula che ingloba il chip nonché per la forma e la posizione degli elettrodi (l’anodo e il catodo), i piedini metallici che sporgono nella zona inferiore della capsula.
Per distinguerli, l’anodo ha una lunghezza leggermente maggiore rispetto al catodo.

Come richiama l’acronimo (Tht), questa microstruttura – capsula ed elettrodi - è concepita per collocare la componente optoelettronica in un foro e realizzare in tal modo la classica spia luminosa.
Gli elettrodi sono saldati, nella maggioranza dei casi, su un circuito stampato su base di materiale isolante che funge da superficie di ancoraggio e di connessione elettrica.

Nell’ambito di questa famiglia il led più comune ha una capsula di diametro pari a 5 millimetri.
Al suo interno il chip si trova nella regione centrale e intorno ad esso c’è un minuscolo elemento riflettente, un corpo cavo che riflette le radiazioni del chip verso le pareti interne della capsula.

La base del chip è collegata al catodo, mentre sulla faccia opposta, in alto, si innesta nella zona P un filo sottile, chiamato “bond wiring”, che realizza la connessione elettrica con l’anodo.
La luce - emessa, riflessa e rifratta - attraversa la capsula che, sotto il profilo ottico, lavora come una lente.
Il solido fotometrico che ne deriva ha una forma che dipende dalle configurazioni della lente, dal riflettore, dal chip, e dai loro rapporti spaziali.

Il led del tipo Tht si installa in circuiti stampati su base isolante che devono essere forniti di fori per il passaggio degli elettrodi, le cui saldature sono effettuate sulla faccia inferiore della base.

Nei casi in cui si voglia utilizzare un circuito stampato di diverso tipo, con le connessioni elettriche solo sulla faccia superiore, si opta per led di diversa concezione.
Si tratta di componenti in cui gli elettrodi non sporgono verso il basso ma escono dai lati del chip.
Appartengono alla famiglia chiamata smt (acronimo da “Surface mounted technology”) e si contraddistinguono per la forma piatta: la parte inferiore può essere appoggiata su una base, mentre i collegamenti elettrici sono laterali.

In questo modo è possibile utilizzare circuiti stampati su base isolante di ridotto spessore ed effettuare le micro-saldature non più manualmente, bensì con macchinari automatizzati, rendendo in tal modo l’assemblaggio più veloce e meno costoso. Il led smt si presenta come un minuscolo box con una faccia da cui viene emessa la luce, la faccia opposta o laterale che funge da base di appoggio, mentre le rimanenti facce laterali sono munite di anodo e catodo.

Questa forma molto compatta si presta bene per realizzare moduli lineari, strisce luminose o light strip, composte da microaree luminose disposte a intervalli regolari.

Con il termine power led (o led di potenza) si indica un diodo che, essendo in grado di trasformare l’energia elettrica con potenza superiore a 1 W in luce e calore, è impiegabile nell’illuminazione di ambienti interni ed esterni, cioè per distribuire luce nello spazio costruito a dati livelli di illuminamento.

I flussi luminosi resi oscillano soli tamente tra i 50 e i 300 lumen, in funzione della potenza assorbita.
Nella maggioranza dei casi i power led sono alimentati in bassissima tensione e a corrente continua.
Esiste, tuttavia, un modello funzionante a 230 V (o 110 V) in corrente alternata (50 o 60 Hz) (power led modello “Acriche” prodotto da Seoul Semiconductor).

Si tratta di un power led che incorpora, alla base del chip, il dispositivo miniaturizzato di trasformazione e conversione dell’energia elettrica.
È previsto il collegamento diretto alla rete elettrica, senza l’interposizione di alimentatori o altri dispostivi ausiliari.

In entrambi i casi l’incremento della potenza è legato alla corrente di pilotaggio e alla caduta di tensione, che a loro volta causano lo sviluppo di calore.
I bassi valori dei flussi luminosi erogati pongono la necessità di aggregare i componenti optoelettronici per far crescere il totale dei lumen disponibili in modo da ottenere gli illuminamenti richiesti.

Questa duplice esigenza è alla base della diversificazione tipologica dei power led.
A partire dal chip il fabbricante costruisce una sorgente luminosa che nasce dall’integrazione tra gli elettrodi, l’ottica primaria, una base o substrato riflettente, una piastra di base saldata alla prima con sostanze siliconiche a bassa resistenza termica con funzione di dispersione di calore, un ricoprimento o calotta di chiusura di materiale trasparente.
L’insieme coerente di questi minuscoli elementi è chiamato packaging.

Il power led viene dunque messo sul mercato come dispositivo pronto per il collegamento elettrico con l’alimentatore/convertitore, con il dispersore termico e con l’eventuale ottica secondaria.
Attualmente si distinguono:
- il led a singolo chip, o led monochip, a luce monocromatica o a luce bianca, fornito di lente, oppure con semplice rivestimento protettivo (figura 5);

 
- il led multichip, a luce monocromatica oppure a luce bianca ricavata da sintesi additiva rgb, rgbw (red, green, blue, white), awb (amber, white, blue), fornito di 6 o 8 elettrodi per la gestione separata dei colori, oppure da chip a luce blu e rivestimento a fosfori, anch’essi forniti di lente, oppure di rivestimento protettivo.

 In entrambi i casi i led sono muniti di corpo protettivo, isolante e dissipante, di forma esagonale, funzionante da piccolo circuito stampato per l’aggregazione in moduli.
Nella tecnologia “chip on board” (figura 6) i singoli chip sono inglobati in una piastra di collegamento e di prima dissipazione, corredata dei conduttori per i collegamenti elettrici.

Sia i led smt che i power led sono proposti in aggregazione, per incrementare il flusso complessivo, su circuiti stampati o piastre di collegamento di varie forme e dimensioni: circolari, quadrate, rettangolari, a striscia: i cosiddetti moduli led per alimentazione in serie oppure in parallelo (figura 7).

Alcuni produttori propongono led e moduli led con dissipatore termico integrato, per garantirne il corretto funzionamento, e con componentistica ottica (l’ottica secondaria) allo scopo di orientare le radiazioni (figura 8).

- ll led produce gruppi di radiazioni raccolte intorno a una radiazione principale che assume il massimo valore di potenza

- Lo spettro del led è raccolto in un intervallo di lunghezze d’onda che oscilla - nelle sue potenze rilevanti - tra i 20 e i 30 nanometri

- Le radiazioni emesse si propagano in tutte le direzioni, in modo non determinabile

- Con i led cambia il modo di generare luce bianca