Presentazione Stefano Fabiani, cenni sulla luce e sul funzionamento dei Led. Seminario Led : la luce del futuro.

1. LED: la luce del futuro
19 marzo 2009 Relatori:
Hotel Brigantino - Porto Recanati
Andrea Volpini
Ing. Stefano Fabiani
Dott. Francesco Sperandini
Ing. Manuele Marconi
Roberto Volpini

2. •
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Ing. Stefano Fabiani

3. Luce = Radiazione Luminosa caratterizzata da:
• Lunghezza d’onda λ=c/f con c=300000 km/sec
• Intensità Luminosa o Energia Pot. della Luce E=h*f
con h=6,634x10-34 joule/sec (cost. di Planck)
LA LUCE SI COMPORTA COME UN’INSIEME DI PARTICELLE
DETTE FOTONI QUANDO INTERAGISCE CON LA MATERIA,
MENTRE NELLA PROPAGAZIONE AGISCE COME UN’ ONDA
ELETTROMAGNETICA
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4. Emissione Luminosa costituita da una unica frequenza emessa in una
determinata direzione (es: LASER= Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation)
Insieme di più radiazioni emesse in varie direzioni e con lunghezze
d’onda differenti (es: la Luce naturale)
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5. ULTRAVIOLETTO INFRAROSSI
VISIBILE
GAMMA X RADIO
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6. Energia che la radiazione luminosa può cedere ad un corpo opaco
quando ne investe la superficie [cd = candela]. Simbolo: I
CANDELA = Intensità posseduta da una superficie di area 1/6 x 10-5 m2
di un corpo nero ad una temperatura uguale a quella della
solidificazione del platino, emessa in una direzione perpendicolare
alla superficie stessa, in un ambiente alla pressione di 101,325 Pa
(Pascal)
Def. Corpo nero: entità fisica teorica capace di assorbire tutte le
radiazioni che raggiungono la sua superficie
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7. Rappresenta l’insieme di fotoni che attraversano una certa unità di area;
ovvero il prodotto dell’ Intensità luminosa (I) per l’angolo solido (Ω) avente il
vertice nella sorgente di luce puntiforme
Φ = I x Ω [lm; lumen]
Es:
Lampada per bicicletta 2 W 18 lm
Lampada ad incandescenza 100 W 1250 lm
Lampada fluorescente L 40 W 3200 lm
Lampada xenon arco lungo 20000 W 500000 lm
La quantità di luce che raggiunge una superficie è invece il flusso luminoso
misurato nell’unità di tempo
Q = Φ x t [lm x sec]
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8. E’ il rapporto tra il flusso luminoso e la superficie sulla quale viene
distribuito secondo la relazione
E= Φ / S [lux = lumen / m2]
Esempi:
Luce solare di giorno 100000 Lux
Luce elettrica negli ambienti chiusi 10 100 Lux
Luce naturale negli ambienti chiusi 100 1000 Lux
Luce elettrica negli stadi di calcio 100 500 Lux
Luna piena 0,1 Lux
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9. La luminanza è pari al rapporto fra l’intensità luminosa emessa in una
certa direzione e l’area della superficie emittente perpendicolare
alla direzione stessa
L= I / a [nit = cd / m2]
La grandezza è indicativa dell’ abbagliamento che
può indurre una sorgente.
Es:
Una lampadina di piccole dimensioni, con una superficie
di emissione di un centimetro quadro con intensità di una candela, ha
una luminanza di 10000 cd/m2. Un'altra lampadina con pari intensità ma con superficie
di cento centimetri quadrati ha una luminanza di 100 cd/m2.
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10. La giunzione PN è l’unione di due parti di silicio o di germanio alle
estremità delle quali vengono introdotte impurezze (drogaggio)
Atomi pentavalenti: Atomi trivalenti:
(Arsenico, Antimonio, Fosforo) (Boro, Gallio, Alluminio)
Zona con
Zona con
eccesso di
eccesso di
Lacune
Elettroni
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11. Gli elettroni tendono a muoversi nella zona P così come le lacune nella
zona N per diffusione RICOMBINAZIONE ELETTRONE-LACUNA
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12. Gli elettroni e le lacune lasciano dietro di se gli ioni positivi degli atomi
donori e gli ioni negativi degli atomi accettori. Il campo elettrostatico
dovuto a queste cariche, immobili nel reticolo, si oppone al moto di
diffusione deformando le bande di valenza e di conduzione
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13. Per far condurre il diodo a giunzione PN bisogna applicare una d.d.p.
di valore opposto alla barriera di potenziale creatasi agli estremi
della regione di svuotamento
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14. La temperatura è una forma di energia e come tale altera l’attività delle
cariche che si muovono nei semiconduttori.
In polarizzazione Inversa
Un aumento di 10 C raddoppia la corrente inversa dei diodi, perché il
calore energizza le cariche elettriche agevolandone il
distacco, l’entrata in conduzione ed il passaggio nella regione
opposta.
In polarizzazione Diretta
La tensione di soglia si abbassa di 2,5 mV all’aumento di 1 C della
Temperatura di lavoro, in quanto il calore contribuisce ad aumentare
l’energia applicata dal campo elettrico diretto e a vincere il campo
della regione di svuotamento della giunzione.
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15. Ogni giunzione PN, quando viene polarizzata direttamente, emette una
radiazione, solo che questa non sempre cade nel campo del visibile
(es. silicio e germanio che emettono nel campo dell’infrarosso).
II diodo luminoso lavora ed emette nel campo del visibile.
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16. Si applica una polarizzazione diretta sul diodo, l’elettrone viene eccitato
acquistando una energia superiore e si allontana dal suo orbitale
naturale (lavoro di estrazione: W0= h x f)
Quando l’elettrone si ricombina con una lacuna cede l’energia prima
acquisita sottoforma di luce
W0
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17. Nel Silicio e nel Germanio l’emissione avviene ad una frequenza al di
sotto di quella corrispondente alla massima lunghezza d’onda
visibile dall’occhio umano.
Per avere una luce visibile il lavoro di estrazione deve essere almeno di
2,762 x 10-19 J il quale genera luce nell’ordine di λ=720 nm con una
frequenza di 417 x 1012 Hz.
Il lavoro di estrazione può anche essere espresso come W0 = e x V,
con e=1,6 x 10-19 C e V il potenziale di estrazione del materiale
semiconduttore.
Quindi
V = (h x c) / (e x λ)
Il Potenziale di estrazione per avere luce rossa è 1,726 V.
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18. Angolo Critico: angolo che corrisponde alla completa riflessione dei
fotoni. Più è piccolo minore è la quantità di luce prodotta visibile
all’esterno
Fotoni emessi = luce
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19. L = [ (3.940 x ηE X ηO X J) / λ] x (AJ / AS) [ cd/m2 ]
con
ηe: Efficienza quantica esterna o rapporto tra gli elettroni ricombinati e
i fotoni usciti dal led
ηo: Efficienza luminosa dell’ occhio umano (Lumen/Watt)
J: Densità di corrente nella giunzione
AJ: Area di giunzione
AS: Superficie emittente
λ : Lunghezza d’onda espressa in micron
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20. • Arseniuro di gallio (GaAs) diodi emittenti con λ = 640 700 nm
• Arseniuro di gallio e alluminio (GaAl-As) con λ = 650 720 nm
• Arseniuro fosfuro di gallio (Ga-AsP) con λ = 640, 600, 550 nm
• Fosfuro di gallio (GaP) con λ = 500 nm
• Fosfuro di gallio, alluminio e indio; con λ = 640 700 nm
• Nitrato di gallio e indio (InGaN) per luce verde scuro, blu e bianca
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21. Materiale di base: puro arseniuro di gallio che fa da substrato
Crescita epitassiale: con immissione in forno di gas contenenti arsenico e
fosforo
Drogaggio N: immissione in forno di selenio che penetra in profondità
Drogaggio P: immissione nel forno di un sale vaporizzato contenente zinco.
Lo spessore di P deve essere molto più piccolo di N
Realizzazione dell’ anodo: realizzato con alluminio in modo tale che sulla
parte drogata di tipo P sia presente solo un ‘bollino’ che fa da elettrodo di
anodo
Realizzazione del catodo: elettrodo rivestito di alluminio per la parte
inferiore; per evitare che si formi una giunzione, la zona N viene fortemente
drogata per neutralizzare la penetrazione degli atomi di Al
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22. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 22
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23. A catodo comune, i colori vengono
pilotati su ciascun anodo con una
propria tensione riferita all’anodo.
In questo caso è possibile accendere
assieme i led per creare differenze
di colorazioni A A
K
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24. A/K
Diodi collegati in antiparallelo, i led in questo
caso si possono illuminare 1 solo alla volta.
Per cambiare colore basta invertirne la polarità,
mentre per ottenere una luce gialla
il led bicolore va alimentato con una
tensione alternata
A/K
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25. • Composto da 3 giunzioni: Red, Green e Blue
• L’unione delle 3 sorgenti luminose forma la luce bianca
• Il catodo è in comune
Spettro di emissione distribuito in modo da coprire le lunghezze d’onda
dei 3 colori: Rosso, Verde e Blu. Il diodo bianco è arricchito di
selenio (drogante esavalente) e zinco (drogante bivalente).
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26. COLORE TENSIONE
DI SOGLIA
Tensioni di soglia dei led per i vari colori;
si noti che i valori sono tanto più alti quanto
ROSSO 1,8 V
minore è la lunghezza d’onda infatti:
GIALLO 1,9 V
ARANCIO 2,0 V
V = (h x c) / (e x λ)
VERDE 2,0 V
BLU/BIANCO 3,0 3,5 V
BLU 3,5 3,8 V
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27. • NATI PER SOSTITUIRE I FARI A
LAMPADA TRADIZIONALE
• MINOR CONSUMO DI CORRENTE
• MAGGIORE DURATA
• MAGGIORE ROBUSTEZZA
IL CHIP IN QUESTO CASO VIENE
SALDATO SU UN SUBSTRATO DI
ALLUMINIO I MODO TALE DA
GARANTIRE LO SMALTIMENTO
DI CALORE NECESSARIO
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28. • VF caduta di tensione in polarizzazione diretta o tensione di soglia
• VR tensione inversa o di interdizione applicabile illimitatamente
• VRRM tensione inversa impulsiva, quando il led deve essere
alimentato a tensione alternata (in questo caso il costruttore indica
la durata degli impulsi)
• IF corrente in continua sopportabile in polarizzazione diretta
• PTOT potenza max dissipabile dal componente ad una T di lav.
• TJMAX max T di lav. della giunzione prima del danneggiamento
• θJA resistenza termica tra giunzione e ambiente (poco usata)
• θJC resistenza termica tra giunzione e contenitore
• θCR resistenza termica tra contenitore e radiatore
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29. • λdom lunghezza d’onda dominante dell’emissione luminosa
• λpeak lunghezza d’onda di picco (non sempre dichiarata)
• IV Intensità luminosa tipica espressa in mcd (fino a 2500 mcd)
• ΦV flusso luminoso tipico espresso in mlumen (fino a 10000 mlm)
• 2φ angolo di emissione: angolazione complessiva che i raggi di luce
formano uscendo dalla giunzione (varia tra i 40 ed i 150 )
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30. Scopo della polarizzazione di un LED è di fissare
i valori della Tensione e della Corrente dirette a
livelli tollerabili dalla giunzione e corrispondenti
alla Intensità Luminosa desiderata.
CIRCUITO ELEMENTARE PER IL LED:
IF
R VF
R = (VCC – VF) / IF
A
VCC
K
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31. Quando si devono accendere più LED e la tensione di partenza
(alimentatore o batteria) è più alta di quella della soglia dei LED, si
utilizza la connessione in serie.
Le perdite di potenza vengono quindi limitate dalla resistenza posta in
serie appunto al LED
R La Potenza dissipata su R
sarà data da:
VCC
PR = (VCC – 3VF) x IF
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32. Quando si devono accendere più LED e la tensione di partenza
(alimentatore o batteria) è dello stesso ordine di quella dei LED, si
utilizza la connessione in parallelo.
In questo caso però i LED devono essere dello stesso tipo.
Se la tensione di lavoro
R
dei LED in parallelo è
differente si potrebbe
VCC
illuminare solamente
un LED piuttosto che
un altro
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33. In regime continuo è possibile ottenere una determinata intensità
luminosa costante e quindi un’ illuminazione costante. Se il LED
viene alimentato in maniera discontinua, ossia con impulsi di
tensione, si ottiene un’ illuminazione minore, la cui entità è
direttamente proporzionale al valore medio della corrente.
V
Ti Valore medio della
tensione:
Vi
Vm = dc x Vi
t
Tp
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34. • Durano decine di volte di più delle lampade convenzionali
• Sono meccanicamente robusti e se cadono a terra non si danneggiano
• A parità di Illuminamento consumano molta meno energia elettrica
• Sono meno inquinanti dei fosfori contenuti nei tubi fluorescenti o dei
gas o vapori delle lampade a grande potenza
• Pesano pochissimo
• Possono emettere svariate tinte cromatiche senza bisogno di filtri
ottici o gelatine
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Ing. Stefano Fabiani

35. Il componente a semiconduttore come il LED va incontro alla cosiddetta deriva
termica; cioè il punto di lavoro del LED non è costante nel tempo
Tale variazione dipende dalla temperatura raggiunta dalla giunzione e, con il
passare del tempo, se il calore prodotto non viene smaltito, la deriva si
accentua sempre di più.
Ogni grado centigrado di aumento fa si che la VF si abbassi di 2,5 mV
La resistenza serie fa cadere su di se una Tensione sempre più alta
Aumento della corrente anche nel LED
Occorre stabilizzare l’erogazione della corrente nel LED
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Ing. Stefano Fabiani

36. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 36
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