Lezione n° 6: Lampade a tecnologia LED CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 6: Lampade a tecnologia LED Prof. Paolo Zazzini zazzini@unich.it

LED: acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa ) Primo LED sviluppato da Nick Holonvak nel 1962 Diodo Il diodo è un componente elettronico a due poli, che permette il passaggio di corrente elettrica in una direzione bloccandola contemporaneamente nell'altra. 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, priva di cariche libere, tra i due settori (p ed n), ai lati della quale esiste naturalmente una differenza di potenziale o tensione 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. LED: Speciale diodo a giunzione p-n costituito da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato 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 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

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. 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 (5 el.), mentre il drogaggio di tipo p è effettuato mediante atomi di boro (3 el.). 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 (+). GIUNZIONE: zona di sovrapposizione della regione “p” con quella “n” priva di portatori di carica (zona di svuotamento), con proprietà isolanti. Si genera in maniera più o meno estesa per l’applicazione di una tensione esterna che richiama un certo numero di portatori di carica dando luogo all’effetto diodo che permette il flusso di corrente in una direzione ma non in quella opposta Il grado di polarizzazione (densità di portatori disponibili), dipende ovviamente dal tipo di semiconduttore scelto, e dal tipo di drogaggio effettuato. Il dispositivo LED sfrutta le proprietà ottiche di alcuni semiconduttori drogati (arseniuro di gallio GaAs, fosfuro di gallio GaP, fosfuro arseniuro di gallio GaSaP, carburo di silicio SiC, nitruro di gallio e indio Ga In N), per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Quando sottoposti ad una tensione diretta gli elettroni della banda di conduzione si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sotto forma di fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Successivamente LED a luce gialla e verde 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 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) Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

In ambito illuminotecnico: LED di potenza Particolarmente interessanti: LED ad alta efficienza (Ing. Barbieri c/o laboratori dell'università di Cardiff- 1995) Ottime caratteristiche per dispositivi in AlGaInP/GaAs (fosfuro di alluminio, gallio, indio e arseniuro di gallio) con contatto trasparente di Indio e stagno. L'evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere delle sorgenti luminose in grado di sostituire in futuro quasi tutte quelle ad oggi utilizzate. Applicazioni principali: Telecomandi a infrarossi; Indicatori di stato (lampade spia); Retroilluminazione di display LCD; Semafori; Luci di "posizione" e "stop" delle automobili, etc. Telefoni cellulari: nel formato più piccolo per l'illuminazione dei tasti; In ambito illuminotecnico: LED di potenza Alternative a sorgenti tradizionali (ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte ) Emettono luce sufficiente per molte applicazioni di illuminazione generali e speciali: già ampiamente installati nei riflettori delle scenografie teatrali, nelle lampade flash ad alta potenza e nei proiettori per auto, sostituzione di sorgenti tradizionali per interni. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

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) LED più luminosi a luce fredda con resa cromatica relativamente bassa 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. Molto utilizzati con esigenze di: miniaturizzazione ; colori saturi; lunga durata; robustezza; Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Gli apparecchi d'illuminazione a LED montano sorgenti da 1, 2 o 3 W. Possono essere costituiti da moduli con numero variabile di elementi Efficienza luminosa di una lampada alogena: h = 20 lm/W; Flusso emesso da una lampada alogena di 10 W = 200 lm; Efficienza luminosa di un LED di potenza: h = 40 lm/W; Flusso emesso da un modulo di 5 LED da 1 W = 200 lm; Applicabili sia per l’illuminazione di interni che di esterni Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

angoli interni non facilmente raggiungibili. alti soffitti facciate di palazzi Grazie alla loro lunga durata particolarmente adatti in tutte quelle situazioni in cui la frequente sostituzione sarebbe problematica e richiederebbe alti costi di manutenzione: fondi di piscine angoli interni non facilmente raggiungibili. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

apertura fascio di luce apertura fascio di luce Lampade LED con attacco G4 Applicazioni: hotel, supermarket, sale meeting, stand per fiere, vetrine, pubblicità arredamento in alternativa a sorgenti luminose tradizionali in ambito domestico, roulotte, barche, camper descrizione breve attacco colore luce numero di LED apertura fascio di luce flusso luminoso potenza forward voltage corrente tensione LEDLG409WH10 G4        9 10 ÷ 20° 14.5 lm±20% 0.6 W±20% 2,8 ÷ 3,6 V 86±10 mA 12V A.C. ±10%  50-60 Hz Lampade LED con attacco GX5.3 Utilizzabili con trasformatore elettromagnetico da 12 V descrizione breve attacco colore luce numero di LED apertura fascio di luce flusso luminoso potenza forward voltage corrente tensione LEDLGX5320BL15 GX5.3        20 15 ÷ 25° 8.2 lm ±20% 1.4 W ±20% 2,8 ÷ 3,6 V 140 mA ±15% 12V A.C. ±10%  50-60 Hz LEDLGX5320GR15 18.5 lm ±20% 139 mA ±15% LEDLGX5320WH10 10 ÷ 20° 30.3 lm ±20% 1.5 W ±20% 152 mA ±15% LEDLGX5320YE15 10 ÷ 25° 10 lm ±20% 0.9 W ±20% 1,8 ÷ 2,2 V 99 mA ±15% LEDLGX5320RE15 9 lm ±20% 98 mA ±15% Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

apertura fascio di luce Lampade LED con attacco E27 descrizione breve attacco colore luce numero di LED apertura fascio di luce flusso luminoso potenza forward voltage corrente tensione LEDLE2712WH10 E27        12 10 ÷ 20° 18 lm ±20% 1.0 W ±20% 2,8 ÷ 3,6 V 18 mA ±15% 220V÷240 A.C.  50-60 Hz LEDLE2715WH10 15 22.5 lm ±20% 1.1 W ±20% 19 mA ±15% LEDLE2718WH10 18 26.8 lm ±20% 1.3 W ±20% LEDLE2720WH10 20 30.2 lm ±20% descrizione breve attacco colore luce numero di LED flusso luminoso potenza corrente tensione LEDLE2736WH10 E27        36 49 lm ±20% 2.1 W ±20% 20 mA ±15% 220V÷240 A.C.  50-60 Hz Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 Lampade LED con attacco GU10