Tecnologia LED

LED è l'acronimo di "light-emitting diode" ovvero diodo ad emissione luminosa.

I led lavorano esattamente come molti altri diodi: sono dei semiconduttori costituiti nella maggior parte dei casi da arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di gallio (GaP) o arseniuro di fosfuro di gallio (GaAsP).

Questo tipo di semiconduttori ha la particolarità di poter essere assottigliato fino a 0,5 micron. Un micron corrisponde esattamente a un millesimo di millimetro, da qui deriva la possibilità di realizzare un prodotto molto piccolo.

Possiamo quindi affermare che i LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un  sottile strato di materiale semiconduttore drogato.

I LED devono essere alimentati a corrente costante e polarizzata. Per ottenere questo risultato si può utilizzare un generatore di corrente o più semplicemente una resistenza di valore appropriato da mettere in serie al LED in modo da limitare la corrente per una data tensione di alimentazione.

I diodi ad emissione luminosa LED hanno saputo imporsi sul mercato grazie al basso prezzo, alla elevata efficienza ed alla loro affidabilità.

E' bene ricordare che il primo LED è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr. un inventore statunitense.

 

COME FUNZIONANO I LED

Il LED sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori (citati in precedenza) per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna.

Per capire il funzionamento di un diodo led prendiamo in considerazione che la luce è una forma di energia e che tale energia viene rilasciata da un atomo. La luce come tutti ben sapete è composta da piccole particelle, le quali vengono chiamate fotoni. Ora supponiamo che in un led ci siano diversi atomi con diversi elettroni che girano intorno al nucleo sulle proprie orbite, ovviamente a seconda dell'orbita che occupa un elettrone sarà più o meno carico di energia (l'energia è direttamente proporzionale alla larghezza dell'orbita).

Quando uno di questi elettroni passa da un orbita larga ( esterna) ad una inferiore andando a riempire una lacuna Positiva perde un po' della sua energia ed ecco svelato il mistero: da qui deriva la luce che vediamo, ovvero dalla perdita di energia sotto forma di fotone.

Più energia perde l'elettrone che si sposta (ad esempio con un calo di orbita elevato) maggiore sarà la frequenza della luce emessa, da qui si determina il colore della luce stessa.

L’energia di un fotone è espressa dalla relazione E= h·f dove E è l’energia di un fotone, h è la costante di Planck ( 6,63·10-34Js), f e la frequenza della radiazione luminosa.

Dunque abbiamo detto che con la perdita di energia durante il passaggio da un'orbita all'altra si determina il colore della luce, ora la domanda sorge spontanea: e se noi volessimo produrre della luce bianca? C'è da dire innanzitutto che la luce bianca non è un colore ma bensì la combinazione di molti colori. Un modo per ottenere questo risultato potrebbe essere quello di utilizzare un LED RGB e mescolare i colori rosso, verde e blu per fare il bianco, ma questo richiederebbe un certo controllo sui vari LED molto difficile da realizzare.

Esiste però un altro metodo più semplice e veloce per ottenere della luce bianca da un Led ed è quello di applicare alcuni strati di fosforo sulla cima del Led stesso. Solitamente se ne sceglie uno di colore blu;

tali strati hanno la funzione di spostare la lunghezza d'onda della luce che li attraversa e riprodurre la luce bianca. Il funzionamento è molto simile a quello delle luci fluorescenti.

Il Led è un componente elettronico che, al passaggio di una minima corrente, emette una luce priva di infrarossi ed ultravioletti, accendendosi immediatamente. La tecnologia LED (Light-Emitting Diodes) rappresenta l’evoluzione dell’illuminazione allo stato solido, in cui la generazione della luce è ottenuta mediante semiconduttori anziché utilizzando un filamento o un gas. L’illuminazione LED è più efficiente dal punto di vista energetico, ha una durata maggiore ed è più sostenibile.

Inoltre consente innovative e creative soluzioni di utilizzo che integrano la luce nelle nostre case, nelle automobili, nei negozi e nelle città. I LED sono destinati, nel tempo, a sostituire le lampade tradizionali ad incandescenza e le lampade a fluorescenza.

 

Risparmio Energetico

Grazie all’elevato illuminamento caratteristico delle lampade e lampadine a led, è possibile sostituire con esse anche le lampade fluorescenti (compatte o al neon) con equivalenti a led che consumano molta meno energia, cioè di potenza (in watt) decisamente inferiore, conseguendo un rilevante risparmio economico.

Ad esempio, è possibile sostituire una normale lampada al neon da 40 W (del tipo T8 da 26 mm di diametro e 120 cm di lunghezza) con un “tubo a led” (composto da quasi 300 piccoli led) che consuma non più di 17 W.

In tal caso, ipotizzando un costo dell’energia elettrica di 0,15 €/kWh e un uso medio di 6 ore al giorno, il consumo annuo con le due diverse lampade sarebbe, rispettivamente, di 87,6 kWh e di 37,2 kWh.

Pertanto, il risparmio annuo nell’usare la lampada a led al posto di quella fluorescente al neon sarebbe di 50,4 kWh, e dunque di 7,5 €.

 

Durata

I LED mantengono il 70% dell’emissione luminosa iniziale ancora dopo 50.000 ore, secondo gli standard EN50107. Con ciò non è detto che bisogna necessariamente sostituirli dopo tale periodo, se tale riduzione non crea eccessivi fastidi si possono tranquillamente utilizzare fino alla completa perdita di luminosità, stimata in 100.000 ore.

Confrontando la durata dei led rispetto alle lampade tradizionali e ipotizzando un funzionamento medio

di 6 ore al giorno, notiamo che:

• la vita media di una lampadina a filamento è di circa 1000/1500 ore (250 giorni)

• la vita media di una lampada a scarica è di 4.000 ore circa (666 giorni)

• la vita media di una lampada fluorescente è di 6.000 ore (1.000 giorni)

• la vita media di una lampada a led è di 50.000 ore (8.333 giorni)

Alta Efficienza Luminosa

L’efficienza luminosa di una sorgente di luce è il rapporto tra il flusso luminoso e la potenza in ingresso. La dimensione è espressa in lumen/watt. Il flusso luminoso è definito in base alla percezione soggettiva dell’occhio umano medio e corrisponde ad una particolare curva all’interno dello spettro della luce visibile. Una lampadina emette radiazioni anche al di fuori della banda visibile, in genere nell’infrarosso e nell’ultravioletto, che non contribuiscono alla sensazione di luminosità. Una lampada ha una maggiore efficienza luminosa quanto più è in grado di emettere uno spettro adatto alla percezione umana.

Attualmente i led hanno un efficienza luminosa fino a 150 lm/W, rispetto ai:

•13 lm/W delle lampade ad incandescenza

•16 lm/W per le alogene

•50 lm/W per le fluorescenti

Per l’invenzione di diodi efficienti che emettono luce blu, che ha permesso lo sviluppo di sorgenti di luce bianca luminose ed energeticamente economiche ”

Con questa motivazione, la Royal  Swedish Academy of Sciences ha conferito il premio Nobel per la fisica 2014 a Isamu Akasaki, della Meijo University e della Nagoya University, Hiroshi Amano, della Nagoya University, e Shuji  Nakamura, della University of California – Santa Barbara . È grazie ai loro sforzi se lo smartphone che avete in tasca ha un flash così bianco e brillante: sono infatti i led blu realizzati dai tre scienziati all’inizio degli anni novanta, combinati con quelli rossi e verdi sviluppati trent’anni prima, che permettono l’emissione di luce bianca continua . Quella dei flash degli smartphone, per l’appunto, ma non solo. Anche di fari delle automobili e illuminazione domestica, tanto per citarne altre due.

 

Un po’ di storia

La storia della luce comincia, naturalmente, con il fuoco. Fino alla fine del diciannovesimo secolo, l’unica sorgente di illuminazione era rappresentata dalla combustione dell’olio della Cera con torce, candele e lanterne . Le cose cambiarono radicalmente nel 1878, quando Thomas Alva Edison riuscì a costruire il primo modello efficiente di lampadina a incandescenza , perfezionando un’idea di Joseph Wilson Swan. Si trattava di un bulbo di vetro in cui veniva praticato il vuoto e che conteneva un filo di tungsteno. Facendo passare corrente elettrica nel filo, questo diventa incandescente (è il cosiddetto effetto Joule) ed emette luce giallastra.

Inutile sottolineare la portata e il successo dell’invenzione. È sopra le teste di tutti.

Certo, i led sono tutta un’altra storia. L’efficienza luminosa di una candela, misurata

In lumen/Watt, cioè rapporto tra il flusso luminoso generato e la potenza in ingresso, si attesta intorno a 0,3. Una lampadina a incandescenza arriva più o meno a 70. I led ne fanno ben 300. Un risparmio energetico non indifferente, insomma. Sviluppati all’inizio degli anni sessanta (all’epoca solo in versione rossa ), i led sono dei dispositivi optoelettronici che sfruttano le proprietà di materiali semiconduttori.

Sono costituiti da tre strati: il cosiddetto strato n, che contiene elettroni , lo strato p, con le

Lacune (ovvero portatori di carica positiva), e uno strato intermedio (lo strato attivo ) costituito dal semiconduttore. Applicando una tensione allo strato n e allo strato p, gli elettroni si combinano con le lacune ed emettono fotoni – cioè, in soldoni,luce . La frequenza dei fotoni emessi, ovvero il colore della luce, dipende dal semiconduttore usato.

Non inquina e non contiene sostanze pericolose

Il led contiene polvere di silicio, non contiene gas nocivi alla salute e non ha sostanze tossiche, a differenza delle fluorescenti e delle lampade a scarica (alogenuri metallici e vapori di sodio).

Zero sono le emissioni di raggi U.V. (ultravioletto) che in via generale sono dannosi per l’uomo per lunghe esposizioni nel tempo. Zero sono anche le emissioni di raggi I.R. (radiazione infrarossa), dannosi agli occhi per esposizioni dirette. Tali emissioni sono molto dannose anche per il commercio del tessile e del pellame, materiali questi molto sensibili ai raggi U.V. Perdita di brillantezza dei colori e sclerotizzazione dei materiali, in particolare quelli naturali e quindi più pregiati, sono spesso l’inevitabile conseguenza di una lunga esposizione alla luce artificiale: un motivo in più per utilizzare i Led nell’illuminazione dei locali commerciali.

I LED non emettono luce calda I LED generano calore, ma lo trattengono al loro interno, difatti l’ involucro è in grado di controllare il calore generato e di smaltirlo verso dissipatori esterni. La potenza usata viene così impiegata al meglio per l’illuminazione, ottimizzando l’efficienza. La temperatura media raramente è superiore a 50°. I led possono quindi essere installati a contatto con legno, plastica, e tutti quei materiali che temono l’eccessivo calore.

Notevole può rivelarsi il risparmio nel climatizzare un ambiente molto illuminato: infatti una lampada ad incandescenza o alogena produce una notevole quantità di calore disperso nell’ ambiente e normalmente, quando si eseguono dei calcoli per la progettazione di un impianto di climatizzazione, viene considerata come una fonte di calore da abbattere di circa 75 W.

L’equivalente fonte di luce, ma a LED, viene valutata con margine ridondante a circa 15 W.

Assenza di manutenzione

I costi di manutenzione degli apparati di illuminazione a LED sono stimati nell’ordine di un centesimo rispetto agli impianti al sodio attualmente in uso, quindi praticamente nulli.