CORSO DI FISICA TCNICA II
AA 2009/10
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 6: Lampade a tecnologia LED
Prof. Paolo Zazzini
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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.
LED:
Speciale diodo a giunzione p-n costituito da un sottile strato di materiale
semiconduttore drogato
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.
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
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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.
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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)
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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.
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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;
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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
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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
alti soffitti
facciate di palazzi
angoli interni non facilmente raggiungibili.
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Lampade LED con attacco G4
descrizione breve
attacco
LEDLG409WH10
G4
colore
luce
Applicazioni:
hotel, supermarket, sale meeting,
stand per fiere, vetrine, pubblicità
arredamento
in alternativa a sorgenti luminose
tradizionali in ambito domestico,
roulotte, barche, camper
numero
di LED
apertura
fascio di luce
flusso
luminoso
potenza
forward
voltage
corrente
tensione
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
numero
di LED
apertura
fascio di luce
flusso
luminoso
potenza
forward
voltage
corrente
tensione
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
GX5.3
20
15 ÷ 25°
18.5 lm ±20%
1.4 W ±20%
2,8 ÷ 3,6 V
139 mA ±15%
12V A.C. ±10% 50-60 Hz
LEDLGX5320WH10
GX5.3
20
10 ÷ 20°
30.3 lm ±20%
1.5 W ±20%
2,8 ÷ 3,6 V
152 mA ±15%
12V A.C. ±10% 50-60 Hz
LEDLGX5320YE15
GX5.3
20
10 ÷ 25°
10 lm ±20%
0.9 W ±20%
1,8 ÷ 2,2 V
99 mA ±15%
12V A.C. ±10% 50-60 Hz
LEDLGX5320RE15
GX5.3
20
15 ÷ 25°
9 lm ±20%
0.9 W ±20%
1,8 ÷ 2,2 V
98 mA ±15%
12V A.C. ±10% 50-60 Hz
descrizione breve
attacco
LEDLGX5320BL15
colore
luce
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Lampade LED con attacco E27
numero
di LED
apertura
fascio di luce
flusso
luminoso
potenza
forward
voltage
corrente
tensione
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
E27
15
10 ÷ 20°
22.5 lm ±20%
1.1 W ±20%
2,8 ÷ 3,6 V
19 mA ±15%
220V÷240 A.C. 50-60 Hz
LEDLE2718WH10
E27
18
10 ÷ 20°
26.8 lm ±20%
1.3 W ±20%
2,8 ÷ 3,6 V
18 mA ±15%
220V÷240 A.C. 50-60 Hz
LEDLE2720WH10
E27
20
10 ÷ 20°
30.2 lm ±20%
1.3 W ±20%
2,8 ÷ 3,6 V
18 mA ±15%
220V÷240 A.C. 50-60 Hz
descrizione breve
attacco
LEDLE2712WH10
descrizione breve
LEDLE2736WH10
colore
luce
attacco
E27
colore
luce
numero
di LED
flusso
luminoso
potenza
corrente
tensione
36
49 lm ±20%
2.1 W ±20%
20 mA ±15%
220V÷240 A.C. 50-60 Hz
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