Come funziona l’illuminazione a LED?

Negli ultimi decenni, l’illuminazione a LED (diodo a emissione di luce) ha rivoluzionato il modo in cui illuminiamo ambienti domestici, pubblici e industriali. Questa tecnologia, oggi onnipresente, rappresenta un’alternativa efficiente, duratura ed ecologica rispetto alle tradizionali lampadine a incandescenza o fluorescenti. Per comprendere appieno perché i LED sono così diffusi e quale sia il loro funzionamento, è fondamentale analizzare a fondo il loro principio di funzionamento, la struttura, i materiali utilizzati e le caratteristiche che li rendono così vantaggiosi.

In questo articolo, esploreremo passo passo come funziona un LED, partendo dagli aspetti più basilari fino alle applicazioni pratiche, passando per i dettagli tecnici e i principi fisici coinvolti.

Cos’è un LED: definizione e storia

Un LED, acronimo di Light Emitting Diode, è un diodo semiconduttore progettato per emettere luce quando attraversato da una corrente elettrica. A differenza delle lampadine tradizionali, che producono luce mediante il riscaldamento di un filamento (come nelle lampadine a incandescenza), o le lampade fluorescenti, che eccitano vapori di gas, i LED producono luce attraverso un processo chiamato elettroluminescenza.

La storia dei LED risale agli anni ‘60, quando i ricercatori scoprirono che alcuni semiconduttori, sotto corrente elettrica, emettevano luce visibile o infrarossa. Il primo LED commerciale era di colore rosso, prodotto nei primi anni ’60 da Nick Holonyak. Successivamente, grazie ai progressi nella tecnologia dei materiali semiconduttori, sono stati sviluppati LED di diversi colori e, infine, LED a luce bianca, che sono quelli maggiormente utilizzati oggi.

La struttura di un LED

Per capire come funziona un LED, è importante conoscere la sua struttura interna. Un LED tipico è costituito principalmente dai seguenti componenti:

• Semiconduttore: il cuore del dispositivo, generalmente composto da carbonati di seleniuro di gallio (GaAs), seleniuro di zinco (ZnSe), nitruro di gallio (GaN) o altri materiali III-V.
• Doganali: due regioni del semiconduttore, chiamate rispettivamente dopata P (con cariche positive, i “lacune”) e dopata N (con elettroni liberi). Quando queste due regioni sono create e unite, si forma un pn junction.
• Pad di contatto: conducente che permette di collegare elettricamente il LED a un circuito esterno.
• Lenti o guarnizioni: elementi ottici o di protezione che migliorano l’emissione di luce.

La qualità dei materiali e la precisione nella fabbricazione di questa struttura influenzano significativamente l’efficienza e la qualità della luce prodotta.

Il principio di funzionamento

Il funzionamento di un LED si basa sul principio di elettroluminescenza in un semiconduttore a giunzione pn. Approfondiamo questo processo.

La giunzione pn

In un LED, il semiconduttore dopato p e il semiconduttore dopato n sono uniti formando quella che si chiama giunzione pn. Questa giunzione è fondamentale: rappresenta il punto di contatto tra le due regioni di doping opposto.

Quando si applica una tensione diretta (positivo sulla regione p e negativo sulla regione n), si crea una condizione in cui gli elettroni liberi dalla regione n si muovono verso la regione p, mentre le lacune (cariche positive) si muovono nel senso opposto. Questo movimento porta a un fenomeno chiamato ricombinazione: gli elettroni si ricombinano con le lacune, e questa ricombinazione provoca l’emissione di fotoni, ovvero di particelle di luce.

Il processo di emissione di fotoni

Quando gli elettroni provenienti dalla regione n si ricombinano con le lacune della regione p, passano a uno stato di energia inferiore. La differenza di energia tra gli stati superiore e inferiore si manifesta sotto forma di fotoni, cioè particelle di luce. La quantità di energia del fotone (e quindi la lunghezza d’onda della luce emessa) dipende dall’energia di banda di valenza e di conduzione del materiale semiconduttore.

Se la differenza di energia tra i livelli di banda è abbastanza grande, la luce emessa può essere visibile. Per esempio:

• GaAs produce luce rossa.
• GaN può produrre luce blu o verde.
• Alcuni materiali compositi permettono di ottenere anche luce bianca (che è una combinazione di più colori).

L’efficienza di questa conversione di energia elettrica in luce dipende dalla qualità del materiale e dalla progettazione del dispositivo.

Dalla corrente alla luce: il ruolo dell’elettricità

L’input di energia nel LED è una corrente elettrica. Quando il LED viene collegato a una fonte di tensione adeguata, la corrente che attraversa il dispositivo provoca il movimento di elettroni attraverso la giunzione pn, causando le ricombinazioni e, di conseguenza, l’emissione di luce.

Importante capire che il funzionamento ottimale si verifica in un range di tensione specifico, chiamato tensione di soglia o tensione di forward. Tipicamente, questa si aggira tra 2 e 3 volt per i LED comuni di colore blu o bianco, ma varia secondo il materiale semiconduttore.

Quando la corrente aumenta oltre una certa soglia, la luminosità del LED aumenta proporzionalmente. Tuttavia, una corrente troppo alta può danneggiare il dispositivo, motivo per cui molte applicazioni dispongono di resistenze o circuiti di regolazione per limitare l’afflusso di corrente.

Efficienza energetica e conversione

Il LED è molto efficiente rispetto alle lampadine tradizionali. La sua efficienza luminosa si misura in lumen per watt (lm/W). La maggiore efficienza deriva dal fatto che la maggior parte dell’energia elettrica viene convertita direttamente in luce, senza perdita di calore come avviene nei filamenti incandescenti.

Tuttavia, non tutta l’energia elettrica viene convertita in luce: una parte si disperde sotto forma di calore, motivo per cui i LED devono essere spesso dotati di sistemi di dissipazione termica.

I colori e la luce bianca dei LED

I LED possono produrre diversi colori, a seconda del materiale semiconduttore utilizzato. La gamma di colori va dal infrarosso al rosso, giallo, verde, blu, fino a raggiungere il bianco.

Come si ottiene il bianco?

Il colore bianco si ottiene attraverso diverse tecniche:

• Mix di LED di diversi colori: combinando LED rossi, verdi e blu (RGB) si può ottenere luce bianca. Questa soluzione è molto usata nelle televisioni e negli schermi.
• LED a luce bianca: si utilizza un LED blu con una pellicola di fosforo gialla o arancione sopra di esso. Quando il LED blu illumina il fosforo, la luce risultante appare bianco grazie alla combinazione di colori.

Il metodo del fosforo è più semplice ed economico e permette di ottenere LED bianchi con buona qualità di luce, anche se la resa cromatica e l’efficienza possono variare.

Vantaggi e limitazioni dell’illuminazione a LED

Vantaggi principali

• Elevata efficienza energetica: i LED convertono una grande quantità di energia in luce, sprecandone molto meno rispetto alle lampade tradizionali.
• Lunga durata: un LED può durare fino a 50.000 ore o più, molto di più rispetto alle lampadine a incandescenza o ai fluorescenti.
• Robustezza: i LED sono più resistenti agli urti e alle vibrazioni, grazie alla loro struttura solida.
• Compatibilità ambientale: non contengono mercurio né altre sostanze nocive, contribuendo a un minor impatto ambientale.
• Dimensioni ridotte: consentono integrazione in dispositivi di ogni dimensione, dai dispositivi mobili ai grandi impianti di illuminazione pubblica.
• Accensione immediata: raggiungono la massima luminosità quasi istantaneamente, senza tempi di preriscaldamento.

Limitazioni e sfide

• Costo iniziale più alto: anche se il prezzo è diminuito negli ultimi anni, i LED possono risultare più costosi rispetto alle lampade tradizionali.
• Problemi di degrado: con l’uso prolungato, i LED possono degradarsi, soprattutto se sottoposti a temperature troppo elevate.
• Distribuzione del colore: la resa cromatica può variare, richiedendo una tecnologia più avanzata per ottenere colori più naturali.
• Effetto flickering: alcuni LED, se non ben driverati, possono presentare sfarfallio o flickering fast, il che può affaticare gli occhi.

Applicazioni dell’illuminazione a LED

L’utilizzo dei LED si è diffuso in quasi tutti i settori dell’illuminazione:

• Illuminazione domestica: lampadine LED per case, cucine, camere da letto.
• Illuminazione pubblica: lampioni stradali, segnaletica, illuminazione di parchi e piazze.
• Applicazioni industriali: illuminazione di magazzini, fabbriche, gallerie.
• Display e schermi: televisori, monitor, schermi pubblicitari.
• Illuminazione decorativa: LED per decorazioni natalizie, installazioni artistiche.
• Veicoli: fari di automobili, luci di segnalazione.

Conclusione

In sintesi, i LED funzionano grazie a un processo di elettroluminescenza: quando una corrente elettrica attraversa la giunzione pn di un semiconduttore, questa provoca ricombinazioni di elettroni e lacune, che rilasciano fotoni. La tecnologia alla base di questa emissione di luce consente di ottenere dispositivi altamente efficienti, duraturi e versatili, che trovano impiego in molteplici ambiti della vita quotidiana.

Nel corso degli anni, l’innovazione nei materiali semiconduttori e nei sistemi di controllo ha ulteriormente migliorato le prestazioni dei LED, contribuendo a una transizione globale verso un’illuminazione più sostenibile e rispettosa dell’ambiente. La comprensione del loro funzionamento non solo aiuta a sfruttarne al massimo le potenzialità, ma anche a comprendere l’importanza di questa tecnologia nel contesto attuale di innovazione e sostenibilità.