Cos'è un LED? Una guida completa, dai principi e dalla struttura alle applicazioni.

Che cos'è un LED?

Definizione di un LED

LED è l'acronimo di Light Emitting Diode (diodo a emissione di luce) ed è un tipo di dispositivo elettronico a semiconduttore. In origine, i LED potevano emettere solo luce infrarossa a bassa intensità e venivano utilizzati per indicare se un circuito era correttamente collegato. Tuttavia, con lo sviluppo dei LED blu e verdi, le loro applicazioni si sono continuamente ampliate, portando a una crescita esponenziale. 

Questa evoluzione spazia dalle prime applicazioni di illuminazione alla successiva adozione negli schermi commerciali. Oggi, i LED sono diventati una componente indispensabile della vita quotidiana. Che si tratti di oggetti di uso comune come lampadine a LED e monitor LCD, o di applicazioni commerciali come spie luminose a LED e schermi a LED, i LED sono ovunque.

La storia dello sviluppo dei LED

La storia dei LED risale al 1906. Diamo uno sguardo alla cronologia:

• 1906: Un ingegnere britannico di nome Henry Joseph Land scoprì il fenomeno dell'elettroluminescenza nei diodi a stato solido e pubblicò le sue scoperte nel numero di febbraio 1907 di *Electrical World*;
• 1927: Un inventore sovietico di nome Oleg Losev inventò il diodo a emissione di luce al carburo di silicio;
• 1962: Grazie agli sforzi degli ingegneri della Texas Instruments, i LED rossi realizzati in GaAs (arseniuro di gallio) furono ufficialmente introdotti sul mercato commerciale.
• 1970-1975: Con la maturazione dei processi di produzione planare dei semiconduttori, l'avvento del packaging automatizzato, l'affermarsi dei materiali GaAsP e l'impulso dato da HP e Monsanto alla produzione su larga scala, questi fattori combinati fecero sì che il prezzo dei LED, che inizialmente raggiungeva i $200, scendesse al di sotto dei 5 centesimi. Di conseguenza, iniziò a comparire un numero crescente di piccoli dispositivi elettronici basati sui LED.
• 1990: Il diodo a emissione di luce blu (LED) viene sviluppato congiuntamente da Shuji Nakamura, Hiroshi Amano e Isamu Akasaki, inaugurando ufficialmente l'era moderna dell'illuminazione.

Perché i LED sono così importanti?

• Trasformare il settore dell'illuminazione: Le lampadine a incandescenza sono state a lungo lo standard per l'illuminazione, principalmente perché i LED non erano in grado di emettere luce bianca. Dopo che Shuji Nakamura, Hiroshi Amano e Isamu Akasaki svilupparono congiuntamente il diodo a emissione di luce blu (LED), l'aggiunta di fosfori gialli permise la produzione di una luce bianca brillante. Ciò trasformò completamente il settore dell'illuminazione, portando alla graduale sostituzione di molti apparecchi di illuminazione con i LED.
• Trasformare il settore dei display: In origine, il settore dei display era dominato dai display a cristalli liquidi (LCD). Da quando i LED hanno permesso di creare display a colori, hanno praticamente conquistato l'intera quota di mercato dei display commerciali per esterni, rivoluzionando completamente il settore.
• Efficienza energetica e benefici ambientali: Le lampadine a incandescenza hanno a lungo sofferto di un elevato consumo energetico e di una bassa luminosità, ma la mancanza di LED blu ha impedito in passato la produzione di lampadine a LED bianche. Il successivo sviluppo dei LED blu ha permesso la diffusione di lampadine a LED ad alta efficienza e a risparmio energetico, che ora hanno completamente sostituito le lampadine a incandescenza ad alto consumo energetico.

Come funzionano i LED

Che cos'è un diodo?

Un diodo è un componente elettronico con conduttività unidirezionale. Questo componente permette alla corrente di fluire solo dal terminale positivo (anodo) al terminale negativo (catodo). È in qualche modo simile a una strada a senso unico nel mondo reale.

Perché i LED emettono luce?

Il principio fondamentale dell'illuminazione a LED è l'elettroluminescenza. Un diodo richiede la presenza simultanea di un semiconduttore di tipo P (caricato positivamente) e di un semiconduttore di tipo N (caricato negativamente). Quando viene applicata una corrente positiva al LED, elettroni e lacune si muovono verso la giunzione (giunzione PN) al centro. 

Man mano che la corrente continua a fluire, gli elettroni in eccesso cadono nelle lacune e si ricombinano, provocando una transizione di livello energetico. Questa transizione rilascia l'energia in eccesso, convertendo così l'energia elettrica in energia luminosa.

Come viene determinato il colore di un LED?

Il colore di un LED è determinato principalmente dalla lunghezza d'onda dei fotoni. La lunghezza d'onda dei fotoni, a sua volta, dipende dal "band gap" del materiale semiconduttore. L'ampiezza del band gap è correlata al materiale drogato. La tabella seguente mostra la relazione tra i diversi colori e i materiali:

• LED che emettono luce rossa o gialla: drogati con materiali come l'arseniuro di gallio (GaAs) o il fosfuro di gallio (GaP).
• LED che emettono luce verde: drogati con materiali come GaP o nitruro di gallio (GaN).
• LED che emettono luce blu: drogati con materiali come il GaN.
• LED che emettono luce bianca: Luce blu + fosforo giallo
• LED a colori (RGB): composti da LED rossi, verdi e blu

Struttura e composizione di base dei LED

Chip LED

Un chip LED è un sottile wafer semiconduttore composto da più strati, con uno spessore che varia da 100 a 500 micrometri. L'interno di un LED è costituito da un substrato, uno strato tampone, uno strato semiconduttore di tipo N, uno strato attivo, uno strato semiconduttore di tipo P e uno strato di diffusione della corrente. L'esterno di un LED è costituito da un substrato (ferro, rame, ceramica, ecc.), fili di collegamento (oro, argento, rame, ecc.), fosfori e un incapsulamento in resina epossidica o siliconica.

• Funzione del chip
• Wafer epitassiale e substrato
• Materiali comuni per i chip
• GaN
• InGaN (nitruro di indio e gallio)
• AlGaInP (fosfuro di alluminio, gallio e indio)
• GaAs

Elettrodi e cavi

Come accennato in precedenza, i LED sono materiali semiconduttori unidirezionali. Collegare i terminali positivo e negativo in modo errato può facilmente causare la bruciatura immediata del LED. Pertanto, comprendere gli elettrodi e i conduttori di un LED è fondamentale. Attualmente, esistono due tipi principali di conduttori: a foro passante e a montaggio superficiale.

• Gli elettrodi dei LED a foro passante sono relativamente facili da distinguere; in genere, il conduttore più lungo è il terminale positivo e quello più corto è il terminale negativo.
• I LED a montaggio superficiale sono di dimensioni ridotte e vengono saldati direttamente sul PCB, il che li rende più difficili da distinguere. In genere, per differenziarli ci affidiamo alle marcature metalliche di polarità presenti sulla parte inferiore.
• Segnature a forma di T o triangolari: Sul lato inferiore o posteriore del LED a montaggio superficiale è presente un segno a forma di T o di freccia, di colore verde o bianco. Il lato indicato dalla direzione della freccia o dalla barra orizzontale della lettera "T" è il terminale negativo.
• Identificazione con tacca: Alcuni LED a montaggio superficiale presentano una tacca lungo una delle diagonali; la posizione corrispondente alla tacca è il terminale negativo.

I quattro componenti principali delle strutture di confezionamento dei LED

Substrato: Utilizzato per supportare l'intera struttura del LED. Si dividono principalmente in tipi a foro passante e a montaggio superficiale. I tipi a foro passante hanno i terminali visibili, mentre i tipi a montaggio superficiale utilizzano una struttura di substrato PCB.

• Chip: Il componente principale che determina il colore emesso dal LED. I LED monocromatici in genere contengono un chip di un solo colore, mentre i LED a colori richiedono chip per tutti e tre i colori: rosso, verde e blu.
• Fili di collegamento: Il collegamento principale consiste nel connettere il substrato al chip, consentendo il passaggio della corrente e l'illuminazione del chip stesso. Esistono vari tipi di fili di collegamento; il filo d'oro è di qualità superiore, seguito dal filo di rame. È importante notare che sono ora disponibili le tecnologie COB e flip-chip COB, che consentono di saldare direttamente il chip sul PCB senza bisogno di un substrato o di fili di collegamento.
• Incapsulamento in resina epossidica/silicone (materiale di incapsulamento): incapsula principalmente l'intero LED per impedire che umidità e polvere corrodano la struttura del LED e ne compromettano la stabilità.

PCB (circuito stampato)

Il PCB svolge tre funzioni principali: conduttività elettrica, dissipazione del calore e supporto strutturale. Esistono quattro tipi principali di PCB: substrati in alluminio, schede in fibra di vetro FR-4, substrati ceramici e substrati in rame. Analizziamo le differenze specifiche tra di essi:

Caratteristiche elettriche dei LED

Energia diretta

La tensione diretta di un LED si riferisce alla tensione di soglia ai capi del LED quando la corrente fluisce dall'anodo al catodo. Se la tensione di soglia è troppo bassa, il LED non si accenderà. Se la tensione di soglia è troppo alta, il LED si danneggerà.

I diversi colori richiedono diverse tensioni dirette, che dipendono principalmente dall'ampiezza del bandgap del LED. La tensione diretta richiesta per i diversi colori varia; si prega di fare riferimento alla tabella comparativa riportata di seguito:

Nota: I valori sopra riportati si riferiscono principalmente ai comuni LED singoli. Tuttavia, in alcune strisce LED ad alta tensione o in prodotti di illuminazione specializzati, la tensione diretta può raggiungere valori fino a 6 V, 9 V o superiori.

Corrente di funzionamento

Nell'intervallo nominale, maggiore è la corrente, maggiore è la luminosità del LED. Nei test effettivi, la relazione tra luminosità del LED e corrente è influenzata da fattori quali il materiale e la tensione. Di seguito sono riportate le specifiche di corrente comuni per i LED; finché la corrente rimane entro questi intervalli nominali, è garantito un funzionamento stabile del LED:

• LED a bassa potenza (ad es. spie luminose, LED utilizzati nei moduli LED): corrente di funzionamento compresa tra 10 mA e 20 mA.
• LED di media potenza (ad esempio, lampade fluorescenti, lampadine, proiettori, ecc.): la corrente di funzionamento è compresa tra circa 30 mA e 60 mA.
• LED ad alta potenza (ad esempio, proiettori, luci per autoveicoli, ecc.): la corrente di funzionamento è compresa tra 350 mA e 700 mA o anche superiore.

Consumo di energia elettrica e di potenza

La potenza di un LED si riferisce alla quantità di energia elettrica consumata dal LED al secondo. La formula è: P = U × I

Dove:

P = Potenza (W)

U = Tensione (V)

I = Corrente (A)

Ad esempio, se un singolo LED ha i seguenti parametri operativi: tensione 3,5 V, corrente 15 mA, allora utilizzando la formula possiamo determinare che la potenza di questo LED è 0,0525 W (3,5 V × 0,015 A).

Il consumo energetico dei LED si riferisce alla quantità di energia consumata per unità di tempo. La formula è: E = P × t

Dove:

E = Consumo di energia

P = Potenza

t = Ore

Se sostituiamo i parametri ottenuti sopra in questa formula, 0,0525 W si traduce in un consumo energetico di 0,0525 Wh all'ora.

Principali tipologie di LED

LED a immersione

I LED DIP sono realizzati con tecnologia di incapsulamento a foro passante. Le loro caratteristiche principali includono grandi dimensioni, elevata luminosità (oltre 10.000 nit per centimetro quadrato), elevata durata (oltre 100.000 ore di vita utile) e grande passo dei pixel (10-20 mm). I LED DIP sono particolarmente adatti per display a LED per la segnaletica stradale, display a LED monocromatici e altri tipi di display a LED a basso costo.

LED a luce diffusa

LED a luce diffusa Sono realizzati utilizzando la tecnologia di incapsulamento a montaggio superficiale (SMD). Le loro caratteristiche principali includono processi produttivi consolidati e la capacità di raggiungere una gamma estremamente ampia di pixel pitch, coprendo diversi scenari applicativi da 1 mm a 200 mm. I LED SMD sono utilizzati non solo in vari tipi di display commerciali, ma anche in innumerevoli applicazioni nel settore dell'illuminazione.

LED a COB

I LED COB integrano il chip direttamente sul PCB, eliminando molteplici strati intermedi, il che si traduce in una dissipazione del calore e un'efficienza energetica superiori. I LED COB sono principalmente classificati in display commerciali e apparecchi di illuminazione; sebbene entrambi siano chiamati LED COB, sono completamente diversi in termini di tecnologia e funzionalità.

Vale la pena notare che LED a COB Nell'illuminazione, i LED COB utilizzano principalmente la tecnologia a sorgente luminosa superficiale integrata, mentre nei display commerciali si riferiscono principalmente alla tecnologia di incapsulamento; è necessario prestare attenzione a distinguere tra le due.

Mini LED

La tecnologia Mini LED consiste principalmente nel miniaturizzare i LED, riducendone le dimensioni da 50 a 200 μm, e nell'integrare funzionalità di local dimming. Poiché i Mini LED sono principalmente integrati nei pannelli LCD, la funzionalità di local dimming è pensata soprattutto per migliorare il controllo della retroilluminazione LCD.

Micro LED

I micro LED sono ancora più piccoli dei mini LED, con dimensioni inferiori a 50 μm. Sebbene appaiano molto simili ai mini LED – e molti presumono che siano semplicemente un'ulteriore miniaturizzazione dei mini LED – i micro LED non rientrano nella categoria dei display LCD. Piuttosto, come gli OLED, sono un tipo di tecnologia di visualizzazione autoemissiva.

LED ad alta potenza

I LED ad alta potenza si riferiscono principalmente a LED in grado di raggiungere livelli di luminosità superiori rispetto ai tradizionali apparecchi di illuminazione. Inoltre, i chip utilizzati sono più grandi di quelli presenti nei moduli o nelle strisce LED. Ciò garantisce che la distribuzione della luminosità rimanga uniforme anche a livelli di luminosità estremamente elevati.

È importante notare che i LED ad alta potenza non sono necessariamente più grandi in termini di dimensioni rispetto ai LED a bassa potenza. La luminosità di un LED dipende dalla corrente che può essere gestita per unità di area. Pertanto, i LED ad alta potenza sono in genere più grandi in termini di volume piuttosto che di dimensioni fisiche.

LED indirizzabili

I LED indirizzabili vengono trattati separatamente principalmente perché differiscono significativamente dagli altri tipi di LED. I LED tradizionali possono essere accesi o spenti solo in blocco e non possono essere controllati singolarmente. I LED indirizzabili, invece, sono diversi. Sono dotati di un circuito integrato (IC) che registra l'indirizzo di ciascun LED individualmente e li controlla, consentendo così una varietà di effetti dinamici.

Principali vantaggi dei LED

Alta efficienza energetica

Le tradizionali lampadine a incandescenza devono essere riscaldate a temperature estremamente elevate (>2500 °C) per emettere luce. Ciò significa che una quantità significativa di energia viene utilizzata per il riscaldamento anziché per l'illuminazione; oltre il 901 TTP3T di energia viene sprecato durante il processo di illuminazione. Al contrario, i LED richiedono solo una piccola quantità di corrente per produrre luce e generano un calore minimo, risultando quindi altamente efficienti dal punto di vista energetico.

Durata di vita estremamente lunga

I LED possono durare fino a 100.000 ore, mentre altri dispositivi di illuminazione hanno in genere una durata inferiore a 50.000 ore. In particolare, i dispositivi elettrici che generano molto calore, come le lampadine a incandescenza, hanno spesso una durata inferiore a due anni. Al contrario, i LED possono funzionare in modo affidabile per oltre un decennio in condizioni di utilizzo normali.

Bassa generazione di calore

In quanto appartenenti alla famiglia delle sorgenti luminose fredde, i LED generano pochissimo calore. Altre sorgenti luminose fredde correlate ai LED includono gli OLED e i LED a punti quantici.

Rispettoso dell'ambiente

I componenti dei LED sono altamente ecocompatibili, non contenendo mercurio o altri metalli pesanti, il che li rende adatti a un utilizzo ripetuto. Inoltre, i LED sono intrinsecamente dispositivi a emissione di luce altamente efficienti con un elevato utilizzo dell'energia, il che li rende particolarmente adatti agli standard a basse emissioni di carbonio.

Resistenza agli urti e durata

La struttura superiore dei LED conferisce loro un'elevata resistenza agli urti. In primo luogo, i loro terminali sono saldamente integrati nel PCB; in secondo luogo, l'involucro esterno completamente sigillato crea un ambiente sottovuoto all'interno. In queste condizioni, il dispositivo può assorbire efficacemente la pressione esercitata dall'esterno.

Facile da controllare

Che siano utilizzati in sistemi di illuminazione, display o retroilluminazione, i LED sono molto facili da controllare. È proprio grazie a questa caratteristica che sono emersi diversi metodi di controllo in questi vari settori. Ad esempio, nei sistemi di illuminazione, i LED possono integrare funzionalità di indirizzamento; nei sistemi di retroilluminazione, è possibile la regolazione dell'intensità luminosa in zone specifiche; e nei sistemi di visualizzazione, i contenuti possono essere controllati tramite processori, computer, unità USB e altri metodi.

Sicurezza a bassa tensione

I LED richiedono tensioni molto basse, in genere 3,5 V o 5 V, e non presentano praticamente alcun rischio per la sicurezza.

Differenze tra LED e sorgenti luminose tradizionali

In precedenza, abbiamo menzionato diverse sorgenti luminose tradizionali, come le lampadine a incandescenza e le lampade a risparmio energetico. Quali sono quindi le differenze tra queste sorgenti luminose tradizionali e i LED? Le abbiamo riassunte in una tabella per una facile consultazione.

Lampadina LED vs lampadina a incandescenza: tabella comparativa delle caratteristiche

LED vs CFL: tabella comparativa delle caratteristiche

Lampade a LED vs lampade fluorescenti: tabella comparativa delle caratteristiche

Principali applicazioni dei LED

Illuminazione a LED

Grazie alle numerose e straordinarie caratteristiche dei LED, quasi tutti i prodotti di illuminazione che utilizziamo quotidianamente sono ormai realizzati con questa tecnologia.

• Illuminazione residenziale: lampadine a LED, faretti a incasso, plafoniere, lampade da tavolo, strisce LED, applique, ecc.
• Illuminazione commerciale: faretti, faretti a binario, pannelli luminosi, lampade a sospensione, luci per vetrine, insegne luminose, ecc.
• Illuminazione industriale: luci per l'industria e le miniere, proiettori, faretti, luci antideflagranti, illuminazione per magazzini, ecc.
• Lampioni

Display a LED

I moduli LED utilizzati nei display LED modulari sono densamente impacchettati con chip LED. A seconda del metodo di confezionamento, i display LED possono essere classificati in Display LED COB, display a LED SMD e display a LED DIP.

Retroilluminazione

Come accennato in precedenza, i LED possono essere miniaturizzati e integrati in vari schermi LCD come retroilluminazione. Li troviamo negli schermi dei computer, dei televisori, degli smartphone e degli orologi che utilizziamo quotidianamente.

Industria automobilistica

I LED sono indispensabili in tutti i sistemi di illuminazione automobilistica, come i fari esterni e i fendinebbia, nonché l'illuminazione ambientale interna e le luci di lettura.

Applicazioni mediche e industriali

In campo medico, i LED possono essere utilizzati anche come dispositivi di sterilizzazione. Sono stati sviluppati i LED UV che, emettendo lunghezze d'onda ultraviolette comprese tra 254 e 280 nm, sono in grado di eliminare con precisione batteri e virus.

Sistemi di segnalazione e indicatore

Oltre alle principali categorie elencate sopra, i LED svolgono un ruolo cruciale anche in ambiti meno ovvi. Ad esempio, le spie luminose di vari dispositivi elettronici utilizzano LED di diversi colori per indicare lo stato di funzionamento del dispositivo. Inoltre, anche i semafori che vediamo quando attraversiamo la strada sono un'applicazione dei LED.

Idee sbagliate comuni sui prodotti LED

Una potenza maggiore è sempre migliore?

Una potenza maggiore implica un consumo energetico complessivo più elevato. Inoltre, un'elevata potenza in ingresso provoca un aumento considerevole della generazione di calore da parte del LED. Pertanto, una potenza maggiore non è necessariamente sinonimo di qualità; è preferibile mantenere il LED entro i limiti di corrente e tensione nominali.

Una maggiore luminosità è preferibile?

Sbagliato. Una luminosità più elevata tende a ridurre la durata dei LED. Inoltre, una luminosità eccessivamente alta può facilmente causare inquinamento luminoso, che può compromettere la vista dei conducenti e provocare affaticamento degli occhi.

I LED che emettono luce bianca sono i più efficienti dal punto di vista energetico?

Sbagliato. In realtà, i LED sono più efficienti dal punto di vista energetico quando emettono luce nera. I display come gli OLED e i Mini LED supportano la possibilità di spegnere direttamente aree specifiche, e queste aree consumano pochissima energia.

I LED sono sempre indistruttibili?

Sbagliato. Sebbene i LED abbiano una lunga durata, tutti i materiali devono rispettare la legge di conservazione dell'energia. Finché li utilizziamo, continueranno a usurarsi fino a guastarsi.

Domande frequenti sui LED

Perché alcuni LED si guastano molto prima della loro durata nominale?

Generalmente si afferma che la durata di vita di un LED è compresa tra 50.000 e 100.000 ore, ma perché alcuni si guastano prima di raggiungere tale soglia? Ciò è dovuto a una serie di fattori, come ad esempio l'utilizzo di materiali scadenti, un controllo di qualità inadeguato o ambienti operativi difficili.

I LED possono funzionare in ambienti estremamente caldi o freddi?

Sì, i LED funzionano in un intervallo di temperatura compreso tra -20 °C e 60 °C, sufficiente per la maggior parte delle regioni del mondo. Per ambienti estremi che superano questo intervallo, sono necessarie misure aggiuntive, come l'installazione di ventole o l'utilizzo di materiali termoisolanti, per mantenere la temperatura di esercizio entro tale intervallo.

Tutte le luci a LED necessitano di essere regolate in intensità?

Non necessariamente. La regolazione della luminosità dei LED è pensata per adattarsi all'ambiente circostante. Per i dispositivi elettronici con un'emissione luminosa fissa, come le spie luminose, la regolazione della luminosità non è necessaria. Esistono molti tipi di regolazione della luminosità dei LED; alcuni sono progettati specificamente per i sistemi di illuminazione, come la regolazione a taglio di fase (leading-edge) e a taglio di fase (trailing-edge), mentre altri sono utilizzati sia nei sistemi di illuminazione che in quelli di visualizzazione, come la regolazione PWM.

È possibile riparare un LED danneggiato?

Sì, i LED hanno una struttura relativamente semplice, quindi possono essere riparati in caso di danni. Tuttavia, il processo di riparazione richiede strumenti specializzati e una manipolazione precisa, che può comunque risultare difficile per la maggior parte delle persone.

Perché alcuni prodotti a LED costano molto mentre altri sono molto economici?

Questo problema è in qualche modo simile a quello relativo alla durata menzionato in precedenza; anche i prezzi dei LED sono influenzati da una varietà di fattori. Ad esempio, anche per LED delle stesse dimensioni di 1,5 mm x 1,5 mm, le differenze di spessore possono comportare variazioni di prezzo significative. Inoltre, le differenze nei processi di confezionamento e nei materiali dei componenti interni possono portare a sostanziali differenze di prezzo tra prodotti LED apparentemente identici.

Cosa succede se un LED viene collegato con la polarità sbagliata? 

Poiché i LED sono dispositivi elettronici unidirezionali, collegarli nella direzione sbagliata può portare solo a due risultati: o il LED non si accende, oppure si brucia immediatamente.

Riepilogo

Abbiamo fornito una panoramica dettagliata di tutti gli aspetti relativi ai LED e riteniamo che, dopo averla letta, ora ne abbiate una comprensione approfondita. I LED sono diventati un componente indispensabile delle tecnologie di base nei moderni sistemi di illuminazione e visualizzazione. Inoltre, con l'emergere di nuove applicazioni in diversi settori, l'utilizzo dei LED diventerà sempre più diffuso.