Tutorial per Illustrare i Diversi Modelli di LED Spiegare il Funzionamento, come Accenderli, Controllarli e Calcolare la Resistenza di Protezione…

INTRO

Il LED è una sigla che sta per Light Emitting Diode, ovvero diodo che emette luce. È un dispositivo optoelettronico che sfrutta la capacità di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione. La differenza di potenziale ai capi di un diodo fornisce energia agli elettroni che eccitati passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione, quando ritornano in banda di valenza perdono energia sotto forma di fotoni emettendo luce.

L’energia che perde l’elettrone passando da una banda all’altra è correlata al colore del LED, infatti l’energia è data dalla costante di Planck per lunghezza d’onda quindi cambiando semiconduttore cambia il livello energetico tra la banda di conduzione e di valenza e di conseguenza cambia la lunghezza d’onda della luce ovvero il colore. In particolare i diversi colori si hanno grazie ai seguenti semiconduttori:

• GaAs, Arseniuro di Galio, lunghezza d’onda 850-940nm, Infrarosso
• GaAsP, Fosfuro Arseniuro di Galio, lunghezza d’onda 630-660nm, Rosso, Arancione, Giallo
• InGaAIP, Fosfuro Nitruro di Galio Alluminio Indio, lunghezza d’onda 570-630nm, Arancione, Giallo, Verde
• InGaN, Nitruro di Galio e Indio, lunghezza d’onda 505-570nm, Verde, Verde-blu, blu / Bianco
• SiC, Silicio Carbonio, lunghezza d’onda 430-505nm, Blu
• C, Diamante, lunghezza d’onda minore di 430, Ultravioletto

Ogni diverso semiconduttore ha una differente energia tra le due bande di valenza e conduzione, questo perché ogni diodo è fatta da una giunzione di semiconduttore drogato di tipo n e di semiconduttore drogato di tipo p. Questa giunzione tra i due tipi di semiconduttori crea un campo elettrico che genera una differenza di potenziale. Affinchè il led entri in conduzione e quindi vi sia una corrente bisogna avere una tensione ai capi del LED di valore e verso opportuno. Consideriamo il simbolo del diodo LED; esso è il simbolo del diodo con due frecce per indicare i fotoni uscenti. Il LED e il suo simbolo sono i seguenti:

L’anodo ovvero il contatto positivo è connesso al semiconduttore di tipo P con il filo conduttore, mentre il catodo è il contatto negativo connesso al semiconduttore di tipo N. I contatti solitamente si distinguono o per la loro lunghezza, ovvero il catodo è più corto dell’anodo, e inoltre il catodo è vicino all’indicazione di polarità ovvero la parte piatta. Se non è presente l’indicazione di polarità e i due terminali hanno stessa lunghezza si può capire chi è l’anodo e il catodo guardando il LED internamente, il contatto di catodo è connesso alla placca di metallo sulla quale c’è il semiconduttore, come nell’immagine sovrastante vi è una porzione maggiore di metallo. In caso si può testare anche la polarità con una pila da 4,5V o un generatore da 5V, una resistenza da 1KOhm e provare a collegare il LED; se si invertono anodo e catodo con una tensione così bassa non vi è nessun danno. I vari colori hanno le seguente tensioni tra anodo e catodo per funzionare:

• Colore Infrarosso 1,3V
• Colore Rosso 1,8V
• Colore Giallo 1,9V
• Colore Verde 2,0V
• Colore Arancione 2,0V
• Flash Bianco o Blu 3V
• Colore Blu 3,5V
• Colore Ultravioletto 4V oppure 4,5V

Queste tensioni possono essere diverse da produttore a produttore e inoltre con le nuove tecnologie possono cambiare. Inoltre i LED internamente possono essere connessi in serie internamente e quindi avere una tensione doppia del normale, cosa che si può leggere dal datasheet del LED, che conviene sempre consultare se disponibile. I LED non si distinguono solo per il colore ovvero per la lunghezza d’onda ma si distinguono anche per il calore della luce, che non ha nulla a che fare con il calore prodotto, ma qualifica la tonalità di luce e si usa per i LED bianchi. Si ha il bianco freddo ovvero cold white con temperatura di 6000 gradi Kelvin e il Bianco caldo ovvero Warm White con una temperatura di 2800K. Inoltre esistono due colori intermedi:

I LED possono funzionare anche come generatori ovvero produrre elettricità se colpiti da luce come i pannelli solari, anche se non si producono potenze considerevoli.

VARI TIPI DI LED

Esistono diversi tipi di LED che si differenziano per la loro forma, dimensione e metodo di montaggio, per la loro potenza e per il numero di chip semiconduttori interni e la funzione. Esistono LED a cupola con diametro di 3mm, 5mm e 10mm, poi esistono LED cilindrici quadrati o rettangolari. Ad esempio si possono avere le seguenti forme di LED:

Per quanto riguarda la potenza e il metodo di montaggio si ha una correlazione tra questi due parametri, infatti esistono i LED SMD che si montano su circuito stampato senza dissipatore che supportano potenze basse (500mW circa) i LED da 5mm o 10mm a cupola con connettori per montaggio attraverso i fori che al massimo arrivano ad 1W e infine ci sono i LED ad alta potenza (>3W circa) che dispongono di un apposito dissipatore ovvero un lamierino di alluminio dove ne va connesso un altro in caso di potenze elevate (>10W). Si hanno in ordine i LED a montaggio attraverso i fori, i LED SMD e i LED ad alta potenza:

Oltre ad un solo chip di semiconduttore, incapsulati in un solo LED, c’è ne possono essere più di uno, per creare ad esempio LED BICOLORE o con 3 colori come i LED RGB (Rosso Verde Blu). Inoltre i LED possono essere disposti in modo particolare per formare delle indicazioni luminose, come per i DISPLAY SETTE SEGMENTI che grazie a 7 LED riescono a mostrare i numeri da 0 a 9 in base a quale dei sette LED è acceso. Essendoci più di un CHIP di semiconduttore si avranno più anodi e catodi, ad esempio nel LED BICOLOR ci saranno un anodo e un catodo per il rosso e un anodo e un catodo per il verde. Si potrebbero portare fuori 4 piedini ma è una soluzione scomoda, quindi si preferisce collegare gli anodi insieme e lasciare i due catodi liberi ottenendo 3 pin in uscita o viceversa ovvero collegare insieme i catodi e lasciare liberi gli anodi ottenendo sempre 3 piedini. Questa soluzione permette di avere un pin in meno e di accendere separatamente i CHIP producendo luce rossa, verde o tutte e due insieme. Si parla quindi di LED ad anodo comune o catodo comune:

Oltre ai LED RGB, Bicolor e i sette segmenti esistono strutture più complesse come i LED RGBW (ovvero Rosso, Verde, Blu e Bianco) RGWNW (Rosso, Verde, Bianco freddo e Bianco caldo), RGBWW ( Rosso, Verde, Blu, Bianco freddo e Bianco caldo) e inoltre esistono i display esadecimale in grado di mostrare con l’accensione di diverse barre LED sia numeri che lettere. Questi dispositivi sono più complicati ma funzionano come quelli visti in precedenza.

COME ACCENDERE UN LED E CALCOLARE LA RESISTENZA DI PROTEZIONE

Per accendere un LED si deve avere una opportuna tensione ai suoi capi e per avere una opportuna tensione ai suoi capi deve scorrere al suo interno una ben determinata corrente. Infatti i LED vengono pilotati in tensione, ovvero nello schema vi sono elementi che fanno scorrere una determinata corrente più che far si che vi sia una tensione stabilita. La tensione ai capi si ha per via della corrente che scorre.

Il metodo più semplice per accendere un LED è con un generatore come ad esempio una pila a 9V, 4,5V o due pile da 1,5V in serie per ottenere 3V. Considerando queste tensioni, sono molto più grandi della tensione di giunzione dei diodi. Serve quindi un resistore che faccia si che vi sia una tensione tra anodo e catodo opportuna grazie alla corrente che scorre nel LED e nella resistenza.

Considerando questo semplice circuito e le leggi di Ohm e Kirchoff si ottiene il seguente risultato:

Il generatore di tensione fornisce una tensione V, in grado di polarizzare il LED, scorrerà quindi una corrente I. Ai capi della resistenza per via della legge di Ohm si genera una tensione data da R x I (scritto anche come RI) che farà in modo che la differenza di tensione tra il generatore e la tensione ai capi del LED sia assorbita da essa. Con la legge di Kirchoff alla maglia, percorrendola in senso orario, si ottiene la prima equazione e risolvendo la prima equazione per trovare R si trova la seconda equazione che ci dice come scegliere la resistenza di protezione del diodo in funzione del tipo di LED e della tensione con cui verrà alimentato.

Supponiamo di avere un LED rosso con corrente di 15mA e di voler alimentare questo LED con una tensione proveniente dall’uscita di arduino a 5V. La tensione ai capi del LED rosso è 1,8V secondo la tabella vista prima quindi la formula per trovare R sarà: R = (5V – 1,8V)/ 0.015A = 213 Ohm. Il valore di 213 Ohm non esiste nei resistori acquistabili perciò scelgo il valore di 220 Ohm. La resistenza assorbe una potenza data da P=R x I x I ovvero 220 x 0.015 x 0.015 = 50mW quindi una normale resistenza va più che bene.

Nel caso non si conosca la corrente o la tensione si considera una tensione di 3V come tensione della giunzione e una corrente di 1mA, si calcola la resistenza di protezione e poi si va pian piano a diminuire il valore della resistenza finché la luminosità non è opportuna e il LED non si riscaldi.

Per i LED RGB o simili si collega il contatto in comune alla tensione positiva oppure alla tensione positiva (al negativo per il catodo comune e al positivo per l’anodo comune) mentre si usa una resistenza di protezione per ognuno dei pin dei tre colori, l’importante è far si che la resistenza sia di valore tale che ogni Colore abbia la stessa corrente.

Per i LED ad alta potenza si può usare lo stesso principio ma non si fa nella pratica perché la resistenza assorbe molta potenza rendendo l’illuminazione a LED poco efficiente. Supponiamo un LED da 1W che da datasheet ha come dati Vf = 3V e If = 333mA. Questo vuol dire che la tensione ai capi del LED è 3V e la corrente 0.333A. Supponendo che la tensione di alimentazione sia 5V allora la resistenza di protezione è R=(5-3)/0.333 = 6 Ohm con una potenza consumata dalla resistenza pari a 0.66W. Il LED consuma 1W la resistenza più di mezzo Watt; questa situazione è molto inefficiente e inoltre produce molto calore che va smaltito. Per questo motivo per pilotare i LED ad alta potenza (>1W) si utilizzano circuiti switching che forniscono al LED la corrente opportuna. Questi circuiti switching sono solitamente fatti con integrati appositi oppure con DC/DC converter che controllano la corrente di uscita e la mantengono stabile e di valore opportuno per il LED.

I diodi LED possono essere connessi in serie; le tensioni delle giunzioni si sommano e la corrente deve essere la corrente massima del diodo con la corrente più piccola. Ovvero supponiamo di avere un LED rosso con Vf=1.8V con corrente nominale di 10mA e un LED verde con Vf=2V e corrente nominale di 5mA. La tensione di polarizzazione della serie sarà 3.8V mentre bisogna far scorrere una corrente di 5mA accendendo a metà potenza il diodo Rosso. Se si facesse scorrere una corrente di 10mA il LED verde si brucerebbe. L’ideale sarebbe avere tutti i diodi uguali, le Vf si sommano e la corrente è quella del singolo diodo vista la connessione serie.

Discorso diverso si ha per i LED in parallelo, infatti i LED non possono essere connessi in parallelo, Perché anche tra LED uguali potrebbero avere delle tensioni Vf leggermente diverse (fino a 100mV) visto il processo costruttivo non perfetto.

Serve quindi un resistore per ogni LED. Ogni LED nello schema sopraindicato potrebbe anche essere una serie di LED, ottenendo quindi il parallelo della serie, l’importante è avere un resistore per ogni ramo del parallelo.

STRUMENTO DI CALCOLO RESISTORE DI PROTEZIONE

Il primo permette scegliendo la dimensione del LED, il colore e la tensione di alimentazione di calcolare la resistenza di protezione. Per le varie dimensioni, ovvero 3mm, 5mm, 8mm e 10mm sono state scelte correnti di 5mA, 10mA e 20mA rispettivamente. Visto che la tensione ai capi del LED non deve essere più grande della tensione di alimentazione si ha che il valore minimo per il calcolo è di VCC > 3.3V se si sceglie un LED bianco, blu o ultravioletto mentre il limite è di VCC > 2.2V per gli altri LED.

Il secondo strumento di calcolo permette di inserire la tensione ai capi del LED (nel caso di più LED in serie questo valore è dato dalla somma delle singole tensioni) e permette di inserire la corrente assorbita dal LED e la tensione di alimentazione VCC per calcolare la resistenza di protezione.

In entrambi i casi viene indicato il valore esatto e il valore della resistenza commerciale. Come valori commerciali sono stati usati i valori più comuni della serie E24 e il valore del resistore commerciale è più grande del valore calcolato per non bruciare il LED. Se disponete di valori di resistori più prossimi al valore del calcolo potete usare quelli, cosa importante però è che il valore del resistore non deve mi essere minore del valore calcolato.