Led

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Cos’è un LED?

Il termine LED in elettronica è l’acronimo di Light Emitting Diode (Diodo Emettitore di Luce) ed è un dispositivo, denominato diodo, semiconduttore che genera luce al passaggio di cariche elettriche attraverso una giunzione in silicio. Si tratta di un componente elettronico appartenente alla famiglia dell’optoelettronica ed è costituito da una giunzione P-N che può essere formata da diversi materiali come il GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). La scelta del materiale determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni espressa in nm (nanometri) ed anche l'efficienza dell'intensità luminosa espressa in mcd ( mCd = 1 Candela/1000 ). Il funzionamento del led si basa sul fenomeno detto "elettroluminescenza", dovuto alla emissione di fotoni (nella banda del visibile o dell'infrarosso) prodotti dalla ricombinazione degli elettroni e delle lacune allorchè la giunzione è polarizzata in senso diretto.


Struttura del LED

I diodi led più comuni ed economici in commercio sono quelli con diametro di 5 mm ed hanno una polarizzazione (negativo e positivo) che deve essere rispettata per il corretto funzionamento. Le tensioni di alimentazione variano a seconda delle caratteristiche: in genere per i diodi da 5 mm variano tra 1.5 Volt e 3.2 Volt, mentre la corrente varia tra i 10 e 30 mA. Questi valori variano a seconda della lunghezza d'onda emessa dalla giunzione: più è corta e più tensione è necessaria per innescare la reazione elettroni/lacune che scaturisce il fenomeno dell’elettroluminescenza. Il colore del LED dipende proprio dalla caduta di tensione:

  • ROSSO: 1.8 Volt
  • GIALLO: 1.9 Volt
  • ARANCIO: 2.0 Volt
  • VERDE: 2.0 Volt
  • BLU: 3.5 Volt
  • AZZURRO: 3.0 Volt


Come utilizzare un LED

Quando si utilizza un led, è necessario disporre sempre una resistenza in serie ad esso, allo scopo di limitare la corrente che passa ed evitare che possa distruggersi.

Diodo1.jpg


Diversamente dalle comuni lampadine, il cui filamento funziona a temperature elevatissime ed è caratterizzato da notevole inerzia termica, i led emettono luce fredda, e possono lampeggiare a frequenze molto alte, superiori al Mhz; se si considera anche che la luce emessa è direttamente proporzionale alla corrente che li attraversa, i led risultano particolarmente adatti alla trasmissione di segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa.


Calcolo della resistenza da collegare in serie al LED

Il valore di tale resistenza può essere calcolato con la legge di Ohm:

  • indichiamo con Vs la tensione di alimentazione cui vogliamo collegare il nostro led
  • indichiamo con Vl la caduta di tensione presente ai capi del led (per esempio di 1,4 V)
  • indichiamo con I il valore della corrente che vogliamo far passare nel led

Per calcolare il valore della resistenza basterà fare la differenza fra Vs e Vl e dividere il risultato per I (il cui valore può variare, come detto, da 20 a 40 mA)


Esempio di calcolo

Supponiamo di avere un led rosso che dovrà essere installato in automobile, quindi la tensione è quella della batteria di 12Volt, la tensione necessaria all’accensione del led rosso e di 1,8 Volt e la corrente che dovrà transitare nel diodo è di 10 ma (0,010 A).

Prima di tutto calcoliamo la tensione che dovrà cadere sulla resistenza effettuando una semplice sottrazione (Tensione di alimentazione – tensione del diodo led) che nel nostro caso si traduce in:

12-1,8=10,2 Volt

Una volta ricavata la tensione passiamo al calcolo della resistenza effettuando una semplice divisione, (tensione ricavata / corrente in Ampere), quindi:

10,2/0,010=1020 ohm

Oltre al valore resistivo dobbiamo anche calcolare quanto calore dovrà dissipare la resistenza, per ottenere il valore dobbiamo effettuare il seguente calcolo, (tensione ricavata x corrente in Amper) e quindi:

10,2 x 0,010 = 0,102 Watt

Chiaramente in commercio difficilmente troveremo resistenze con i valori uscenti dal nostro calcolo ma comunque abbiamo una certa tolleranza quindi, possiamo dire che una resistenza da 1000 ohm da un quarto di watt (0,25 Watt) va benissimo.


Caratteristiche dei LED

Le principali caratteristiche dei LED sono:

  • Emettono luce fredda
  • Bassi consumi di corrente
  • Bassa tensione di alimentazione
  • Alta resistenza meccanica
  • Alta efficienza in termini di luminosità
  • Luce direttiva
  • Tonalità di colore selettiva (tranne che per alcuni led bianchi)


La lampada a LED

Ora che abbiamo sintetizzato il funzionamento elettrico dei diodi led passiamo all’individuazione di quelli più adatti ai nostri scopi, leggendo l’articolo sulla luce, si evidenzia che solo alcune lunghezze d’onda vengono recepite dalle piante, le più importanti sono quelle di tonalità rossa a seguire quelle di tonalità blu, mentre il verde ed il giallo vengono riflessi.

Di seguito un riepilogo dei picchi di assorbimento della clorofilla:

  • Clorofilla a: 430nm 662nm doppio picco
  • Clorofilla b: 453nm 642nm doppio picco
  • Carotenoidi: 450nm 480-485nm doppio picco

In base a queste lunghezze d’onda andiamo a sciegliere la tonalità dei nostri diodi Led che si dovranno avvicinare il più possibile ai picchi di assorbimento della clorofilla. Nella scelta dei led dobbiamo tener conto anche della luminosita espressa in mcd, più questo valore è elevato e migliore è il rendimento luminoso del led.

Di seguito sono elencati i codici dei led in base al colore, scartando quelli che non sono di nostro interesse, scegliamo i led in base alle caratteristiche guida sopra indicate:

  • Rosso 660nm, clorofilla a: cod. 404-1104-nd
  • Rosso 642nm, clorofilla b: cod. 160-1698-nd
  • Carotenoidi 480nm: cod. cmd333uwc-nd
  • Blue 430nm clorofilla a: cod. mv8b12-nd
  • Blu 453nm, clorofilla b + Carotenoidi: cod 754-1270-nd

Anche se non di facile reperimento, il passo successivo è quello di è ricavare dai datasheet del fornitore le caratteristiche elettriche dei led che vogliamo utilizzare:

  • corrente di test espressa in mA (quella utilizzata per determinare il picco della lunghezza d’onda)
  • Tensione nominale espressa in volt
  • Intensità luminosa espressa in mcd

Una volta ricavati questi valori, possiamo iniziare a calcolare le resistenze e disegnare una bozza dello schema elettrico. Per la nostra lampada utilizzeremo come sorgente elettrica un alimentatore da 12Volt in corrente continua e collegheremo in serie 3 diodi led alla volta, in modo da sfruttare a pieno la tensione a disposizione.

Iniziamo con l’individuare la tensione di caduta per la serie dei led prescelti:

  • Rosso 660nm : 1,7 x 3 = 5.1 Volt
  • Rosso 642nm : 1,9 x 3 = 5.7 Volt
  • Blu 480nm: 3,75 x 3 = 11,25
  • Blue 430nm: 3,8 x 3 = 11.4
  • Blu 453nm: 3,2 x 3 = 9,6 Volt

Ora possiamo ricavare la Resistenza da porre in serie alla tripletta di led:

  • Resistenza per i 660nm : 12 - 5,1 = 6,9 Volt ; 6,9/0,020 = 345 ohm
  • Resistenza per i 642nm : 12 – 5,7 = 6.3 Volt ; 6,3/0,020 = 315 ohm
  • Resistenza per i 480nm : 12 – 11,25 = 0,75 Volt ; 0,75/0,020 = 37,5 ohm
  • Resistenza per i 430nm : 12 – 11.4 = 0,6 Volt ; 0,6/0,020 = 30 ohm
  • Resistenza per i 453nm : 12 – 9,6 = 2,4 volt ; 2,4/0,020 = 120 ohm

Facendo un rapido calcolo per la potenza delle resistenze vedremo che nessuna supera i 0,25 Watt, quindi possiamo acquistare tranquillamente resistori da un quarto di watt.

Ora che abbiamo tutti i componenti calcolati dobbiamo vedere la quantità di led per ogni colore.Da una ricerca fatta si evince che un rapporto tra rosso e blu rispettivamente di 3:1 è l’ideale, quindi nel nostro caso abbiamo due tonalità di rosso (6 led) e 3 di blu (9 led).

Con un rapido calcolo la nostra lampada sarà costituita così:

  • 30 Led di tonalità rossa (18 x 660nm + 18 x 642nm)
  • 9 Led di tonalità blu (3 x 480nm + 3 x 430 + 3 x 453)

In questo modo il rapporto è circa 3,3:1 con un totale di 39 LED.


Una lampada sicuramente più semplice ed economica rispetto alla precedente è quella che utilizza solo 2 delle 5 lunghezze d’onda, il rosso da 660 nm ed il blu da 462nm. Questa al momento è la più diffusa nell’illuminazione per la crescita delle piante, in commercio potete trovare molte soluzioni a riguardo, con prezzi più o meno convenienti.

  • Blu 460-470 nm
  • Rosso 620-630 nm

I LED blu e rosso sono quelli più comuni e si possono trovare facilmente in negozi di componenti elettronici. E' sufficiente una ricerca per trovare tutto il materiale per costruire una lampada led. Anche per questa lampada vale il rapporto 3:1 quindi 3 led rossi ed 1 blu.

Esempio

Per realizzare un faretto funzionante a 12 Volt con dimensioni di circa 5x5 cm sono necessari 48 led rossi ad alta luminosità da 620-630 nm con diametro 0,5 cm e di 16 Led blu ad alta luminosità da 460-470 nm con diametro di 0,5 cm. Seguendo i calcoli sopra descritti ci occorrono anche 16 resistenze da 330 ohm 1/4 Watt (per i led rossi), 8 resistenze da 250 ohm 1/4 di watt.

Di seguito lo schema elettrico e quello di montaggio:

Sequenza dei LED e schema elettrico
Schema di montaggio


Come riconoscere il valore di una resistenza

L'identificazione delle resistenze avviene tramite le striscie colorate presenti sul corpo del componente, ad esempio le resistenze da 330 ohm avranno le seguenti strisce colorate (arancio-arancio-marrone-oro) mentre quelle da 250 ohm (rosso-verde-marrone-oro). I primi tre colori indicano il valore della resistenza espressi in ohm mentre l'ultima striscia indica la tolleranza, di seguito la tabella di riferimento colori delle resistenze a sx quella delle resistenze a 4 colori a dx quella delle resistenze a 5 colori:

Sequenza dei LED e schema elettrico

Voci correlate



  • Autore: Gianni "Prompt" Marcantoni.
  • Supervisione: monantonio
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