Diapositiva 1 - Laboratorio di Fisica Tecnica

CORSO DI FISICA TECNICA 2
AA 2013/14
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 6:
Lampade a tecnologia LED
Ing. Oreste Boccia
LED: acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa )
Primo LED sviluppato nel 1962
E’ un dispositivo per la produzione di luce artificiale che sfrutta le proprietà di alcuni materiali
semiconduttori per produrre fotoni nel campo del visibile attraverso il fenomeno dell'emissione
spontanea.
Diodo
Il diodo è un componente elettronico polarizzato, cioè dotato di un polo positivo e di uno
negativo, che permette il passaggio di corrente elettrica in una direzione bloccandola
contemporaneamente nell'altra.
LED:
Speciale diodo a giunzione p-n costituito da un sottile strato di materiale
semiconduttore drogato
Giunzione p-n
Una giunzione p-n è un cristallo semiconduttore composto da due zone, una ad eccedenza
di elettroni (strato n) ed una ad eccedenza di lacune (strato p).
La giunzione è propriamente la sottile regione di incontro tra i due settori (p ed n)
Le eccedenze di elettroni e lacune si ottengono mediante drogaggio.
Drogaggio
Aggiunta di piccole percentuali di atomi non facenti parte del semiconduttore stesso per
modificare le proprietà elettriche del materiale.
Elementi droganti utilizzati in piccolissime quantità (impurità elettroniche espresse in atomi/cm3), che
modificano le proprietà elettriche del semiconduttore ma non le sue proprietà chimiche.
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Materiale conduttore
Sovrapposizione parziale tra la banda di valenza e quella di conduzione: presenza di molti elettroni nella
banda di conduzione (liberi)  possibilità di muoversi da atomo ad atomo dando luogo a correnti
elettriche
Materiale isolante
Distanza notevole (elevato gap di energia) tra banda di valenza e banda di conduzione: assenza di elettroni
nella banda di conduzione  impossibilità di muoversi da atomo ad atomo costituendo correnti elettriche
Materiale semiconduttore
Situazione intermedia tra le due: gap di energia non eccessivamente grande tra banda di valenza e banda di
conduzione: possibilità per gli elettroni di passare dalla banda di valenza a quella di conduzione superando il
gap energetico se viene fornita dall’esterno una certa quantità di energia (esempio e.m.)
Silicio tetravalente
Cristallino stabile con legami covalenti tra cinque atomi di silicio
Attraverso una operazione di drogaggio si dispongono alcuni elettroni nella banda di conduzione ottenendo
un certo grado di conducibilità elettrica
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Esempio: col silicio che ha atomi tetravalenti (quattro legami per formare un cristallino), il drogaggio di tipo n
può essere effettuato mediante atomi di fosforo o arsenico (pentavalenti=5 elettroni di valenza), mentre il
drogaggio di tipo p è effettuato mediante atomi di boro (trivalenti=3 elettroni di valenza.).
Drogaggio di tipo n: l'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli necessari per soddisfare i
legami del reticolo cristallino e tale elettrone diventa libero di muoversi all'interno del
semiconduttore.
Drogaggio di tipo p: l'atomo drogante ha un elettrone in meno di quelli necessari per soddisfare i
legami del reticolo cristallino e tale mancanza (lacuna), si comporta come una particella carica
positivamente e si può muovere all’interno del semiconduttore
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La lacuna è, insieme all'elettrone, uno dei due portatori di carica che contribuiscono al passaggio di
corrente elettrica nel semiconduttore.
Pur non essendo una particella elementare (è piuttosto assenza di particella), ha in valore assoluto la
stessa carica dell'elettrone, ma di segno opposto (+).
In un semiconduttore si può avere una regione drogata di tipo N (aumento di elettroni nella banda di
conduzione) ed una regione drogata di tipo P (incremento di lacune)
GIUNZIONE: sottile strato di confine tra la zona di tipo P e quella di tipo N
Gli elettroni in eccesso della zona N prossimi alla giunzione tendono spontaneamente ad occupare le lacune
della zona P vicine alla giunzione, dando luogo ad una zona carica positivamente (+) nella regione N e carica
negativamente (-) nella regione P
Regione P
+
+
+
+
+
+
Regione N
Si genera una zona detta di svuotamento in cui si fronteggiano ioni positivi e negativi: questa zona
genera una barriera di potenziale elettrico (dell’ordine di qualche Volt, in relazione alla natura degli atomi
utilizzati per il drogaggio). Applicando, per ex. tramite una pila, una differenza di potenziale maggiore di
quella della barriera si ha la polarizzazione del diodo.
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Nel semiconduttore polarizzato in modo diretto (ottenuta collegando il polo positivo della pila alla zona
drogata tipo P e quello negativo alla zona drogata tipo N) si genera nel diodo una corrente di elettroni che va
dalla regione N alla P. Questi elettroni si ricombinano con le lacune ed emettono energia pari al salto di livello
energetico che c’è tra banda di conduzione e di valenza: tale energia è emessa sotto forma di fotoni.
-
+
+
+
+
+
+
Regione P
Regione N
+
-
A causa dello spessore ridotto del dispositivo un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed
essere emesso come luce.
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Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e
lacune, quindi al salto di energia compiuto nella ricombinazione elettrone-lacuna.
La scelta del semiconduttore determina pertanto la distribuzione spettrale dunque il colore della luce, oltre
all’efficienza del meccanismo di conversione dell’energia, quindi l’efficienza luminosa.
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).
I LED emettono secondo uno spettro a banda stretta con una forte
concentrazione di energia intorno alla lunghezza d’onda dominante
Primi LED solo di colore rosso (indicatori nei circuiti elettronici, nei display)
In seguito dispositivi con due LED integrati nello stesso contenitore
(rosso e verde), permettendo di visualizzare quattro stati (spento,
verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo.
Successivamente LED a
luce gialla e verde
A partire dagli anni ’90: LED in una gamma più ampia di colori
Con la realizzazione di LED a luce blu possibilità di dispositivi in grado di
emettere qualunque colore (rosso + verde + blu)
La luce eterocromatica (es. bianca) può essere ottenuta anche convertendo
mediante i fosfori posizionati nel rivestimento protettivo del chip le radiazioni UV
prodotte dal semiconduttore.
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Il LED è alimentato da una corrente continua il cui valore assieme alla temperatura del dispositivo consente
l’emissione di un certo flusso luminoso anche se non molto elevato.
All’aumentare della corrente aumenta il flusso ma valori troppo elevati possono far diminuire
eccessivamente la durata del dispositivo per cui la corrente deve essere mantenuta costante al valore ottimale
mediante un alimentatore convertitore (converte la tensione da alternata in continua e ne diminuisce il valore)
Applicazioni principali:
• Telecomandi a infrarossi;
• Indicatori di stato (lampade spia);
• Retroilluminazione di display LED;
• Semafori;
• Luci di "posizione" e "stop" delle automobili, etc.
In ambito illuminotecnico: LED di potenza ottenuti raggruppando più LED in un’unica lampada sono
alternativi a sorgenti tradizionali (ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte )
Presentano un limite per alcune applicazioni, richiedendo, per realizzare un certo illuminamento, un numero
elevato di sorgenti. Per fare un esempio, considerato che una lampada ad incandescenza da 40 W emette
circa 400 - 500 lumen, un LED di 1 W ad elevata efficienza emette circa 50-60 lm ed è dunque necessario
prevederne almeno 8 in un’unica sorgente per ottenere lo stesso flusso della lampada ad incandescenza,
ovviamente con un notevole risparmio energetico.
Di contro hanno una buona efficienza ed una vita media molto lunga che può arrivare anche a 50000 ore.
Questa è legata senz’altro al fatto che il meccanismo di emissione della luce non prevede la presenza di
elettrodi, che si deteriorano facilmente, come nelle lampade a scarica, o di filamenti di tungsteno che tendono
ad assottigliarsi fino a spezzarsi, come avviene nelle lampade ad incandescenza, o di fosfori depositati sulle
pareti, come nelle lampade fluorescenti, che perdono la loro efficacia nel tempo.
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Riassumendo le caratteristiche:
•Lunga durata (fino a 100000 h) e ridottissimi costi di manutenzione;
•Efficienza luminosa: fino a 40-60 lm/W  risparmio energetico;
•Flusso luminoso non elevato (20÷ 120 lm);
(Lampada ad incandescenza (60 W): flusso luminoso ≈ 600 lumen)
•Assenza totale di radiazioni IR (minimo riscaldamento degli oggetti illuminati) e UV
•Facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica;
•Flessibilità di installazione del punto luce;
•Possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme);
•Funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (3 ÷ 24 V corrente continua);
•Molto sensibili alle variazioni di tensione: basta il 10% in meno perché non si illuminino e il 10% in
più per bruciarli;
•Accensione istantanea anche a freddo (fino a -40°C);
•Insensibilità a umidità;
•Temperatura di colore: 30006000 K (da bianco caldo a bianco freddo)
•Ra  80-85.
Gli svantaggi sono:
• Alti costi
• Bassa resa di colore Ra quasi mai superiori a 80
• Efficienza luminosa bassa nel caso si richieda colore e qualità
elevate (Ra>80 e 2700K); nettamente inferiori alle fluorescenti.
• Difficoltà nell'ottenere illuminazione diffusa
Molto utilizzati con esigenze di:
• miniaturizzazione ;
• lunga durata;
• robustezza;
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