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Prof. Paolo Zazzini [email protected]

CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10

ILLUMINOTECNICALezione n° 6: Lampade a tecnologia LED

LED: LED: acronimo di acronimo di Light Emitting DiodeLight Emitting Diode ( (diododiodo ad emissione luminosaad emissione luminosa ) )

Primo LED sviluppato da Nick Holonvak nel 1962Primo LED sviluppato da Nick Holonvak nel 1962

LED:LED: Speciale Speciale diodo a giunzione p-ndiodo a giunzione p-n costituito da un costituito da un sottile strato di sottile strato di materiale semiconduttoremateriale semiconduttore drogatodrogato

DiodoDiodoIl diodo è un Il diodo è un componente elettronicocomponente elettronico a a due polidue poli, che , che permette il passaggio di permette il passaggio di correntecorrente elettrica elettrica in una direzionein una direzione bloccandolabloccandola contemporaneamente contemporaneamente nell'altranell'altra..

Giunzione p-nGiunzione p-nUna giunzione p-n è un Una giunzione p-n è un cristallo semiconduttorecristallo semiconduttore composto da composto da due zonedue zone, una ad , una ad eccedenza di elettroni (strato n)eccedenza di elettroni (strato n) ed una ad ed una ad eccedenza di lacune (strato p).eccedenza di lacune (strato p).La La giunzionegiunzione è propriamente la è propriamente la sottile regione di incontrosottile regione di incontro, , priva di cariche liberepriva di cariche libere, , tra i due settori (p ed n), ai lati della quale esiste naturalmente una tra i due settori (p ed n), ai lati della quale esiste naturalmente una differenza di differenza di potenzialepotenziale o tensione o tensioneLe eccedenze di elettroni e lacune si ottengono mediante Le eccedenze di elettroni e lacune si ottengono mediante drogaggiodrogaggio..Drogaggio Drogaggio AggiuntaAggiunta di piccole percentuali di di piccole percentuali di atomi non facenti parte del atomi non facenti parte del semiconduttoresemiconduttore stesso per stesso per modificare le proprietà elettrichemodificare le proprietà elettriche del materiale. del materiale.

Drogaggio di tipo n: Drogaggio di tipo n: l'atomo drogante ha l'atomo drogante ha un elettrone in piùun elettrone in più di quelli di quelli necessarinecessari per soddisfare i per soddisfare i legami del reticolo cristallinolegami del reticolo cristallino e tale e tale elettroneelettrone diventa diventa liberolibero di muoversi all'interno del semiconduttore. di muoversi all'interno del semiconduttore.Drogaggio di tipo p: Drogaggio di tipo p: l'atomo drogante ha l'atomo drogante ha un elettrone in menoun elettrone in meno di quelli di quelli necessarinecessari per soddisfare i per soddisfare i legami del reticolo cristallinolegami del reticolo cristallino e tale mancanza e tale mancanza ((lacunalacuna), ), si comporta comesi comporta come una una particella carica positivamenteparticella carica positivamente e si può e si può muovere all’interno del semiconduttoremuovere all’interno del semiconduttore

Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 2009/10

La lacuna La lacuna è, insieme all'elettrone, uno dei due è, insieme all'elettrone, uno dei due portatori di caricaportatori di carica che che contribuiscono al passaggio di correntecontribuiscono al passaggio di corrente elettrica nel semiconduttore. elettrica nel semiconduttore.Pur Pur non essendo una particella elementarenon essendo una particella elementare (è piuttosto (è piuttosto assenza di assenza di particellaparticella), ha in valore assoluto la ), ha in valore assoluto la stessa carica dell'elettronestessa carica dell'elettrone, ma di , ma di segno segno opposto (+).opposto (+).

Elementi droganti utilizzati in Elementi droganti utilizzati in piccolissime quantitàpiccolissime quantità ( (impuritàimpurità elettroniche elettroniche espresse in espresse in atomi/cmatomi/cm33), che ), che modificano le proprietà elettrichemodificano le proprietà elettriche del del semiconduttore ma non le sue proprietà chimiche.semiconduttore ma non le sue proprietà chimiche.Esempio:Esempio: col col siliciosilicio che ha atomi tetravalenti (quattro legami per formare un che ha atomi tetravalenti (quattro legami per formare un cristallino), il drogaggio di tipo n può essere effettuato mediante atomi di cristallino), il drogaggio di tipo n può essere effettuato mediante atomi di fosforo o arsenicofosforo o arsenico (5 el.), mentre il drogaggio di tipo p è effettuato mediante (5 el.), mentre il drogaggio di tipo p è effettuato mediante atomi di atomi di boroboro (3 el.). (3 el.).

GIUNZIONE: GIUNZIONE: zona di zona di sovrapposizionesovrapposizione della regione della regione “p”“p” con quella con quella “n”“n” priva di priva di portatori di carica (zona di portatori di carica (zona di svuotamentosvuotamento), con ), con proprietà isolantiproprietà isolanti..Si genera in maniera più o meno estesa per l’Si genera in maniera più o meno estesa per l’applicazione di una tensioneapplicazione di una tensione esterna esterna che richiama un certo numero di portatori di carica dando luogo all’che richiama un certo numero di portatori di carica dando luogo all’effetto diodoeffetto diodo che che permette il flusso di corrente in una direzione ma non in quella oppostapermette il flusso di corrente in una direzione ma non in quella oppostaIl Il grado di polarizzazione (grado di polarizzazione (densità di portatori disponibili), dipende ovviamente dal densità di portatori disponibili), dipende ovviamente dal tipo di semiconduttoretipo di semiconduttore scelto, e dal scelto, e dal tipo di drogaggiotipo di drogaggio effettuato. effettuato.

Il dispositivo Il dispositivo LEDLED sfrutta le proprietà ottiche di alcuni semiconduttori drogati (arseniuro di gallio 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 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 e indio Ga In N), per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna.ricombinazione di coppie elettrone-lacuna.

Quando sottoposti ad una tensione diretta gli Quando sottoposti ad una tensione diretta gli elettroni della banda di conduzione si elettroni della banda di conduzione si ricombinano con le lacune della banda di valenzaricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sotto forma di rilasciando energia sotto forma di fotonifotoni. A . A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere ed essere emesso come luceemesso come luce..


La scelta del La scelta del semiconduttoresemiconduttore determina pertanto la distribuzione spettrale dunque il determina pertanto la distribuzione spettrale dunque il colore della colore della luce luce

Primi Primi LEDLED solo di colore solo di colore rosso rosso (indicatori nei circuiti elettronici, nei (indicatori nei circuiti elettronici, nei display)display)

Successivamente Successivamente LEDLED a lucea luce gialla gialla e e verdeverde

In seguito dispositivi con In seguito dispositivi con due LED integrati nello stesso due LED integrati nello stesso contenitorecontenitore (rosso e verde), permettendo di visualizzare (rosso e verde), permettendo di visualizzare quattro statiquattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivostesso dispositivo..

A partire dagli A partire dagli anni ’90anni ’90: : LED LED in una in una gamma più ampia gamma più ampia di coloridi colori Con la realizzazione di Con la realizzazione di LED a luce bluLED a luce blu possibilità di possibilità di dispositivi in grado di emettere dispositivi in grado di emettere qualunque colorequalunque colore (rosso (rosso + verde + blu)+ verde + blu)

Il colore della radiazione emessa è definito dalla Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacuneelettroni e lacune, quindi al salto di energia compiuto nella ricombinazione elettrone-lacuna., quindi al salto di energia compiuto nella ricombinazione elettrone-lacuna.


http://it.wikipedia.org/wiki/Immagine:Miscleds.jpg

Applicazioni principali: Applicazioni principali: • Telecomandi a infrarossi;Telecomandi a infrarossi;• Indicatori di stato (lampade spia);Indicatori di stato (lampade spia);• Retroilluminazione di display LCD; Retroilluminazione di display LCD; • Semafori;Semafori;• Luci di "posizione" e "stop" delle automobili, etc. Luci di "posizione" e "stop" delle automobili, etc. • Telefoni cellulari: nel formato più piccolo per l'illuminazione dei tasti;Telefoni cellulari: nel formato più piccolo per l'illuminazione dei tasti;

Particolarmente interessanti:Particolarmente interessanti:

LED LED adad alta efficienza alta efficienza (Ing. Barbieri c/o laboratori dell'università di Cardiff- 1995) (Ing. Barbieri c/o laboratori dell'università di Cardiff- 1995) Ottime caratteristicheOttime caratteristiche per dispositivi in per dispositivi in AlGaInP/GaAAlGaInP/GaAs (fosfuro di alluminio, gallio, indio e s (fosfuro di alluminio, gallio, indio e arseniuro di gallio) con arseniuro di gallio) con contatto trasparente di Indio e stagno. contatto trasparente di Indio e stagno.

L'evoluzione dei materialiL'evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere delle sorgenti luminose in grado è stata quindi la chiave per ottenere delle sorgenti luminose in grado di di sostituiresostituire in futuro in futuro quasi tutte quelle ad oggi utilizzate.quasi tutte quelle ad oggi utilizzate.

In ambito illuminotecnico: LED di potenzaIn ambito illuminotecnico: LED di potenzaAlternativeAlternative a a sorgentisorgenti tradizionalitradizionali (ad incandescenza, alogene o fluorescenti (ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte ) compatte )

Emettono luce sufficiente per Emettono luce sufficiente per molte applicazioni di illuminazionemolte applicazioni di illuminazione generali e speciali: già generali e speciali: già ampiamente installati nei ampiamente installati nei riflettori delle scenografie teatraliriflettori delle scenografie teatrali, nelle , nelle lampade flashlampade flash ad alta ad alta potenza e nei potenza e nei proiettori per auto, sostituzione di sorgenti tradizionali per interni.proiettori per auto, sostituzione di sorgenti tradizionali per interni.


Molto utilizzatiMolto utilizzati con esigenze di: con esigenze di:

• miniaturizzazioneminiaturizzazione ; ;• colori saturicolori saturi; ; • lunga duratalunga durata;;• robustezzarobustezza;;

Caratteristiche: Caratteristiche:

•Lunga durataLunga durata (fino a 100000 h) (fino a 100000 h) e ridottissimi costi di manutenzione e ridottissimi costi di manutenzione;;•EfficienzaEfficienza luminosa: luminosa: fino afino a 40-60 lm/W 40-60 lm/W risparmio energetico; risparmio energetico;•Flusso luminosoFlusso luminoso non elevato (20 non elevato (20÷ ÷ 120120 lm);lm);

(Lampada ad incandescenza (60 W): flusso luminoso ≈ 600 lumen) (Lampada ad incandescenza (60 W): flusso luminoso ≈ 600 lumen)

LEDLED più luminosipiù luminosi a a luce freddaluce fredda con con resa cromatica relativamente bassaresa cromatica relativamente bassa•AssenzaAssenza totale di radiazioni totale di radiazioni IR IR (minimo riscaldamento degli oggetti illuminati) e(minimo riscaldamento degli oggetti illuminati) e UV UV •FacilitàFacilità di realizzazione di di realizzazione di ottiche efficienti in plasticaottiche efficienti in plastica; ; •Flessibilità di installazioneFlessibilità di installazione del punto luce; del punto luce;•Possibilità di un forte Possibilità di un forte effetto spoteffetto spot (sorgente quasi puntiforme); (sorgente quasi puntiforme); •FunzionamentoFunzionamento in in sicurezza sicurezza perché a perché a bassissima tensionebassissima tensione (3 (3 ÷÷ 24 V corrente 24 V corrente

continua); continua); •Molto Molto sensibili sensibili alle alle variazioni di tensionevariazioni di tensione: basta il 10% in meno perché non si illuminino : basta il 10% in meno perché non si illuminino

e il 10% in più per bruciarli;e il 10% in più per bruciarli;•Accensione istantanea anche a freddoAccensione istantanea anche a freddo (fino a -40°C); (fino a -40°C); •Insensibilità a Insensibilità a umidità;umidità;•Temperatura di colore: 3000Temperatura di colore: 30006000 K 6000 K (da bianco caldo a bianco freddo)(da bianco caldo a bianco freddo)•Ra Ra 80-85. 80-85.


Efficienza luminosa di una lampada alogena: Efficienza luminosa di una lampada alogena: = 20 = 20 lm/W;lm/W;Flusso emesso da una lampada alogena di 10 W = 200 Flusso emesso da una lampada alogena di 10 W = 200 lm;lm;

Efficienza luminosa di un LED di potenza: Efficienza luminosa di un LED di potenza: = 40 lm/W; = 40 lm/W;Flusso emesso da un modulo di 5 LED da 1 W = 200 Flusso emesso da un modulo di 5 LED da 1 W = 200 lm;lm;

Possono essere costituiti da Possono essere costituiti da moduli moduli con numero variabile di elementi con numero variabile di elementi

Gli apparecchi d'illuminazione a LED montano sorgenti Gli apparecchi d'illuminazione a LED montano sorgenti da 1, 2 o 3 W.da 1, 2 o 3 W.

ApplicabiliApplicabili sia per l’illuminazione di sia per l’illuminazione di interni che di esterniinterni che di esterni


Grazie alla loro Grazie alla loro lunga duratalunga durata particolarmente adatti in tutte quelle particolarmente adatti in tutte quelle situazioni in cui la situazioni in cui la frequente sostituzionefrequente sostituzione sarebbe sarebbe problematicaproblematica e richiederebbe e richiederebbe alti alti costi di manutenzione: costi di manutenzione:

angoli interni non facilmente raggiungibili. angoli interni non facilmente raggiungibili.

fondi di piscine fondi di piscine

alti soffitti alti soffitti facciate di palazzifacciate di palazzi


descrizione brevedescrizione breve attaccoattacco colorecoloreluceluce

numeronumerodi LEDdi LED

aperturaaperturafascio di lucefascio di luce

flussoflussoluminosoluminoso potenzapotenza forwardforward

voltagevoltage correntecorrente tensionetensione

LEDLG409WH10LEDLG409WH10 G4G4 99 10 ÷ 20°10 ÷ 20° 14.5 lm±20%14.5 lm±20% 0.6 W±20%0.6 W±20% 2,8 ÷ 3,6 V2,8 ÷ 3,6 V 86±10 mA86±10 mA 12V A.C. ±10% 50-60 Hz12V A.C. ±10% 50-60 Hz

Lampade LED con attacco G4Lampade LED con attacco G4Applicazioni:Applicazioni:hotel, supermarket, sale meeting,hotel, supermarket, sale meeting,stand per fiere, vetrine, pubblicitàstand per fiere, vetrine, pubblicitàarredamentoarredamentoin alternativa a sorgenti luminose in alternativa a sorgenti luminose tradizionali in ambito domestico, tradizionali in ambito domestico, roulotte, barche, camper roulotte, barche, camper

Lampade LED con attacco GX5.3Lampade LED con attacco GX5.3

descrizione brevedescrizione breve attaccoattacco colorecoloreluceluce


aperturaaperturafascio di lucefascio di luce



LEDLGX5320BL15LEDLGX5320BL15 GX5.3GX5.3 2020 15 ÷ 25°15 ÷ 25° 8.2 lm ±20%8.2 lm ±20% 1.4 W ±20%1.4 W ±20% 2,8 ÷ 3,6 V2,8 ÷ 3,6 V 140 mA ±15%140 mA ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz12V A.C. ±10% 50-60 Hz

LEDLGX5320GR15LEDLGX5320GR15 GX5.3GX5.3 2020 15 ÷ 25°15 ÷ 25° 18.5 lm ±20%18.5 lm ±20% 1.4 W ±20%1.4 W ±20% 2,8 ÷ 3,6 V2,8 ÷ 3,6 V 139 mA ±15%139 mA ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz12V A.C. ±10% 50-60 Hz

LEDLGX5320WH10LEDLGX5320WH10 GX5.3GX5.3 2020 10 ÷ 20°10 ÷ 20° 30.3 lm ±20%30.3 lm ±20% 1.5 W ±20%1.5 W ±20% 2,8 ÷ 3,6 V2,8 ÷ 3,6 V 152 mA ±15%152 mA ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz12V A.C. ±10% 50-60 Hz

LEDLGX5320YE15LEDLGX5320YE15 GX5.3GX5.3 2020 10 ÷ 25°10 ÷ 25° 10 lm ±20%10 lm ±20% 0.9 W ±20%0.9 W ±20% 1,8 ÷ 2,2 V1,8 ÷ 2,2 V 99 mA ±15%99 mA ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz12V A.C. ±10% 50-60 Hz

LEDLGX5320RE15LEDLGX5320RE15 GX5.3GX5.3 2020 15 ÷ 25°15 ÷ 25° 9 lm ±20%9 lm ±20% 0.9 W ±20%0.9 W ±20% 1,8 ÷ 2,2 V1,8 ÷ 2,2 V 98 mA ±15%98 mA ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz12V A.C. ±10% 50-60 Hz

Utilizzabili con Utilizzabili con trasformatore trasformatore elettromagnetico da 12 elettromagnetico da 12 VV


descrizione descrizione brevebreve

attaccattaccoo

colorecoloreluceluce


aperturaaperturafascio di fascio di

luceluce



LEDLE2712WH10LEDLE2712WH10 E27E27 1212 10 ÷ 20°10 ÷ 20° 18 lm ±20%18 lm ±20% 1.0 W ±20%1.0 W ±20% 2,8 ÷ 3,6 V2,8 ÷ 3,6 V 18 mA ±15%18 mA ±15% 220V÷240 A.C. 50-60 Hz220V÷240 A.C. 50-60 Hz

LEDLE2715WH10LEDLE2715WH10 E27E27 1515 10 ÷ 20°10 ÷ 20° 22.5 lm ±20%22.5 lm ±20% 1.1 W ±20%1.1 W ±20% 2,8 ÷ 3,6 V2,8 ÷ 3,6 V 19 mA ±15%19 mA ±15% 220V÷240 A.C. 50-60 Hz220V÷240 A.C. 50-60 Hz



descrizione descrizione brevebreve

attaccattaccoo

colorecoloreluceluce


flussoflussoluminosoluminoso potenzapotenza correntecorrente tensionetensione

LEDLE2736WH10LEDLE2736WH10 E27E27 3636 49 lm ±20%49 lm ±20% 2.1 W ±20%2.1 W ±20% 20 mA ±15%20 mA ±15% 220V÷240 A.C. 50-60 Hz220V÷240 A.C. 50-60 Hz

Lampade LED con attacco E27Lampade LED con attacco E27


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