Led Ppt.Stefano Fabiani

LED: la luce del futuro

Relatori: Andrea VolpiniIng. Stefano FabianiDott. Francesco

SperandiniIng. Manuele Marconi Roberto Volpini

19 marzo 2009Hotel Brigantino - Porto Recanati

LED: la luce del futuro Ing. Stefano Fabiani

219/03/2009

ARGOMENTI TRATTATI• TEORIA DELLA LUCE• I DIODI LUMINOSI• TECNOLOGIA DEI LED• UTILIZZARE I LED• CONCLUSIONI E CONFRONTI

•

BIBLIOGRAFIA

• IL LED E L’ILLUMINAZIONE (DAVIDE SCULLINO)

• LIGHT- EMITTING DIODE (E. FRED SCHUBERT)

• FONDAMENTI DI ILLUMINOTECNICA (OSRAM)


319/03/2009

TEORIA DELLA LUCE

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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LUCE COERENTE

Emissione Luminosa costituita da una unica frequenza emessa in una determinata direzione (es: LASER= Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

LUCE INCOERENTE

Insieme di più radiazioni emesse in varie direzioni e con lunghezze d’onda differenti (es: la Luce naturale)

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LUCE VISIBILE

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GAMMA

X

ULTRAVIOLETTO

VISIBILE

INFRAROSSI

RADIO


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INTENSITA’ LUMINOSAEnergia 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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FLUSSO LUMINOSORappresenta 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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ILLUMINAMENTOE’ 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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LUMINANZALa 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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DIODI LUMINOSI, LA GIUNZIONE PNLa giunzione PN è l’unione di due parti di silicio o di germanio alle

estremità delle quali vengono introdotte impurezze (drogaggio)

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Atomi pentavalenti:(Arsenico, Antimonio, Fosforo)

Atomi trivalenti:(Boro, Gallio, Alluminio)

Zona con eccesso di Lacune

Zona con eccesso di Elettroni


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DIODO A GIUNZIONE PNGli elettroni tendono a muoversi nella zona P così come le lacune nella

zona N per diffusione RICOMBINAZIONE ELETTRONE-LACUNA

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DIODO A GIUNZIONE PNGli 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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http://utenti.quipo.it/itislanciano/bande/drogaggio.htm#2.2



http://utenti.quipo.it/itislanciano/bande/livelli%20en.htm#band-gap


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DIODO A GIUNZIONE PNPer 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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EFFETTI DELLA TEMPERATURALa 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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IL DIODO LUMINOSOOgni 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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POLARIZZAZIONE DIRETTASi 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

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W0


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IL LAVORO DI ESTRAZIONENel 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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IL DIODO LUMINOSOAngolo Critico: angolo che corrisponde alla completa riflessione dei

fotoni. Più è piccolo minore è la quantità di luce prodotta visibile all’esterno

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Fotoni emessi = luce


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LUMINANZA NEI LED

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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SEMICONDUTTORI SINTETICI

• 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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COSTRUZIONE DEI LEDMateriale 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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COSTRUZIONE DEL LED ASPETTO ESTERNO

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LED BICOLORE

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

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A A

K


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LED BICOLORE

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

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A/K

A/K


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LED A TRE COLORI• Composto da 3 giunzioni: Red, Green e Blue• L’unione delle 3 sorgenti luminose forma la luce bianca• Il catodo è in comune

LED BIANCO

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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TENSIONI DI SOGLIA

Tensioni di soglia dei led per i vari colori;

si noti che i valori sono tanto più alti quanto

minore è la lunghezza d’onda infatti:

V = (h x c) / (e x λ)

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COLORE TENSIONE DI SOGLIA

ROSSO 1,8 V

GIALLO 1,9 V

ARANCIO 2,0 V

VERDE 2,0 V

BLU/BIANCO 3,0÷3,5 V

BLU 3,5÷3,8 V


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LED HIGH-POWER• 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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PARAMETRI ELETTRICI DEI LED• 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 19/03/2009


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PARAMETRI OTTICI DEI LED

• 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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POLARIZZAZIONE DEL LEDScopo 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:

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R = (VCC – VF) / IF

VCC

RA

K

VF

IF


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LED IN SERIEQuando 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

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La Potenza dissipata su R sarà data da:

PR = (VCC – 3VF) x IF

VCC

R


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LED IN PARALLELOQuando 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.

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Se la tensione di lavoro dei LED in parallelo è differente si potrebbe illuminare solamente un LED piuttosto che un altro

VCC

R


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ALIMENTAZIONE AD IMPULSIIn 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.

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Valore medio della tensione:

Vm = dc x Vi

Tp

Vi

Ti

V

t


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VANTAGGI DEI LED

• 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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STABILIZZAZIONE DEL PUNTO DI LAVOROIl 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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LAMPADE TRADIZIONALI E AL LED A CONFRONTO

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