Cosa sono i LED e come funzionano?

I LED o i diodi che emettono luce, hanno cambiato il modo in cui pensiamo all'illuminazione perché risparmiano energia, durano più a lungo e possono essere usati in molti modi diversi.A differenza delle lampadine vecchio stile che fanno luce riscaldando un filo, i LED creano luce spostando una corrente elettrica attraverso un materiale speciale chiamato semiconduttore.Questo modo di fare la luce usa molta meno energia e non diventa calda.A causa di questi vantaggi, i LED vengono utilizzati per tutto, dalle piccole luci nei gadget ai grandi sistemi di illuminazione negli edifici.Sono disponibili in vari tipi e colori, ciascuno adatto a usi diversi.Imparare come funzionano i LED e perché sono migliori delle luci tradizionali ci aiuta a capire perché oggi stanno diventando così popolari.

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Figura 1: LED o diodi emessi alla luce

Definizione e operazione di base

I LED, o diodi che emettono luce, sono dispositivi che emettono luce quando una corrente elettrica passa attraverso di essi.Ogni LED è composto da due materiali: un tipo P con molti fori (portatori di carica positivi) e un tipo N con molti elettroni (portatori di carica negativa).Quando viene applicata una tensione in avanti, gli elettroni dalla regione di tipo N ottengono energia e si spostano verso la regione di tipo P.Alla giunzione P-N, gli elettroni riempiono i fori, rilasciando energia come luce.

A differenza delle fonti di luce tradizionali, come bulbi a incandescenza che convertono l'energia elettrica in calore e quindi la luce, i LED convertono l'energia elettrica direttamente in luce.Questo processo è molto più efficiente, producendo meno calore e utilizzando meno energia.Di conseguenza, i LED sono preferiti per la loro efficienza energetica e la lunga durata, che richiedono sostituzioni meno frequenti e offrendo prestazioni più robuste.

Tipi di LED

LED tipo lampada (piombo)

Figura 2: LED di tipo lampada (piombo)

I LED tipi di lampada (piombo) sono un tipo di base di diodi emessi alla luce (LED) con gambe metalliche, chiamati anche cavi, che collegano il LED a un circuito elettrico.Questi LED sono generalmente coperti da una piccola lampadina di plastica colorata.Questa lampadina ha alcune funzioni.Diffica la luce in modo più uniforme, quindi non brilla in una sola direzione.Protegge anche le piccole parti all'interno del LED dai danni e mantiene la polvere e l'umidità.

I LED con piombo hanno un design semplice, che li rende molto utili e facili da usare in molti progetti elettronici.A causa di questo design semplice, sono spesso usati come luci indicatore per mostrare se un dispositivo è acceso o spento.Puoi anche trovarli nei display digitali, come quelli su calcolatori e orologi, dove aiutano a mostrare numeri e altre informazioni.

Per l'illuminazione decorativa, i LED con piombo sono i preferiti perché sono facili da configurare e possono essere utilizzati per creare molti motivi di illuminazione diversi.Le gambe metalliche rendono semplice attaccarle ai circuiti o collegarle utilizzando breadboard per i test.Questo li rende popolari sia con gli hobbisti che con gli ingegneri professionisti.Sono disponibili in molti colori e dimensioni, aggiungendo alla loro utilità nelle configurazioni di illuminazione creativa e pratica.

LED tipi di chip (supporto superficiale)

Figura 3: LED di tipo chip (supporto superficiale)

I LED di tipo chip (supporto superficiale) sono un moderno miglioramento della tecnologia a LED, realizzato per essere collegato direttamente su circuiti stampati (PCB).Sono molto più piccoli e più efficienti dei LED tradizionali di tipo lampada, rendendoli perfetti per piccoli dispositivi elettronici come smartphone, tablet e TV a LED.

Il principale vantaggio dei LED di tipo chip è la loro piccola dimensione ed efficienza.Poiché sono compatti, possono essere posizionati vicini insieme sui PCB.Ciò consente la creazione di progetti elettronici complessi che fanno molte cose diverse.Questo posizionamento vicino è molto utile per i dispositivi moderni che devono funzionare bene in un piccolo spazio.Anche i LED di tipo chip usano l'energia.Trasformano più elettricità in luce con meno calore, il che li fa durare più a lungo e usano meno energia.Ciò è particolarmente utile nei dispositivi che funzionano su batterie, in cui l'energia di risparmio è molto importante.

La tecnologia di montaggio superficiale (SMT) utilizzata per i LED di tipo chip consente alle macchine di posizionarle in modo rapido e accurato sui circuiti.Ciò accelera il processo di produzione e riduce i costi di produzione.Inoltre, questo metodo garantisce che i LED siano posizionati in modo coerente e affidabile, il che è importante per i dispositivi di funzionare correttamente e durare a lungo.

Entrambi i tipi di LED operano sullo stesso principio di base: produrre luce quando una corrente elettrica passa attraverso un materiale speciale al loro interno.La scelta tra tipo di lampada e LED di tipo chip dipende da requisiti del progetto come dimensioni, efficienza e facilità di integrazione.

Lunghezza d'onda e colore

Il colore di un LED è determinato dai materiali utilizzati per realizzarlo, che emettono diversi colori di luce quando l'elettricità scorre attraverso di essi.Due fattori principali influenzano il colore di un LED:

Lunghezza d'onda di picco (λp)

Figura 4: grafico che mostra la lunghezza d'onda di picco (λp) di un LED

La lunghezza d'onda di picco (λp) è la lunghezza d'onda alla quale un LED emette più luce.Ad esempio, un LED rosso di solito brilla più luminoso a circa 630 nanometri.Ciò significa che il LED produce la sua luce rossa più forte a questa lunghezza d'onda. La conoscenza della lunghezza d'onda di picco è molto utile per diverse applicazioni.Determina il colore e la luminosità della luce a LED.Per trovare la lunghezza d'onda di picco, misuriamo lo spettro della luce del LED e localizziamo il punto in cui la luce è la più intensa.Ad esempio, nella tecnologia dello schermo, l'esatta lunghezza d'onda di picco aiuta a produrre i colori giusti.Nelle luci delle piante, la lunghezza d'onda di picco dovrebbe corrispondere alle lunghezze d'onda che le piante assorbono meglio per aiutarle a crescere meglio.

La lunghezza d'onda di picco influisce anche come vengono realizzati i LED.Gli ingegneri possono cambiare i materiali e la progettazione del LED per ottenere la lunghezza d'onda di picco desiderata, rendendo il funzionamento del LED migliore per usi specifici.Ciò comporta la scelta dei giusti materiali a semiconduttore perché questi materiali determinano l'energia e la lunghezza d'onda della luce emessa.

Lunghezza d'onda dominante (λd)

Figura 5: un grafico che mostra la lunghezza d'onda dominante (λd) di un LED

La lunghezza d'onda dominante (λd) è un'idea di base nello studio del colore, specialmente quando si capisce come gli occhi umani vedono la luce dai LED e altre fonti di luce.La lunghezza d'onda dominante è il colore che le persone vedono più chiaramente quando guardano una fonte di luce, anche se quella luce è costituita da diversi colori.Questa misurazione è importante perché la visione umana combina questi molteplici colori in un colore principale che percepiamo.Quando un LED emette luce, di solito lo fa attraverso una gamma di colori.Questi colori individuali si mescolano insieme e la lunghezza d'onda dominante è il colore che si distingue di più per l'occhio umano.Trovare questo colore non è sempre facile perché dipende dal mix specifico e dalla forza dei diversi colori.Questo processo prevede calcoli dettagliati che considerano quanto siano sensibili gli occhi umani verso diverse parti dello spettro della luce.

Per trovare la lunghezza d'onda dominante, viene utilizzato un dispositivo chiamato spettrometro per studiare la luce dal LED.I dati raccolti mostrano quanto sia forte la luce ad ogni colore.Queste informazioni vengono quindi tracciate su un diagramma di cromaticità, che è un grafico che rappresenta i colori basati sulla visione umana.La lunghezza d'onda dominante si trova disegnando una linea da un punto bianco centrale sul diagramma attraverso le coordinate della sorgente luminosa e estendendola al bordo del grafico.Il punto in cui questa linea incontra il bordo è la lunghezza d'onda dominante.

Conoscere la lunghezza d'onda dominante è molto utile nei campi in cui è necessario un colore preciso, come nella tecnologia di visualizzazione, nel design dell'illuminazione e in qualsiasi area in cui è richiesta una corrispondenza accurata del colore.Controllando la lunghezza d'onda dominante, i produttori possono creare LED che emettono colori specifici adatti per scopi diversi, come aiutare le piante a crescere meglio con determinati colori chiari o produrre colori luminosi e realistici sugli schermi.

Creare luce bianca con LED

Figura 6: due metodi per la creazione di luce bianca con LED

La creazione di luce bianca con LED comporta due metodi principali, ciascuno con i propri vantaggi e usi.

Un metodo prevede la combinazione di LED rosso, verde e blu (RGB).Regolando attentamente l'intensità di questi tre colori primari, possono essere miscelati per creare luce bianca.Questa tecnica è comunemente usata in dispositivi che richiedono un controllo preciso del colore e una rappresentazione del colore accurata, come display a LED a colori e illuminazione decorativa.Sebbene questo metodo offra un controllo eccellente sull'output del colore, è più complesso e costoso rispetto al LED blu con approccio al fosforo giallo.Richiede circuiti di controllo avanzati e calibrazione per garantire che i colori si mescolino correttamente per produrre luce bianca.

L'altro metodo utilizza un LED blu abbinato a un rivestimento di fosfori giallo.Quando il LED blu è acceso, eccita il fosforo giallo, facendolo emettere luce gialla.La combinazione della luce blu rimanente e della luce gialla emessa produce luce bianca.Questo metodo è popolare perché è semplice ed economico, rendendolo adatto per una vasta gamma di applicazioni di illuminazione.Tuttavia, a volte può provocare una luce bianca con una leggera tinta blu o fresca, che potrebbe non essere l'ideale per ogni situazione.

Ogni metodo viene scelto in base all'equilibrio desiderato tra costo, complessità e qualità del colore.Il metodo a LED RGB è selezionato per applicazioni che richiedono una messa a punto del colore preciso e un'uscita leggera di alta qualità, mentre il LED blu con metodo di fosforo giallo è spesso preferito per la sua semplicità e convenienza.

Efficienza dell'illuminazione a LED

I LED utilizzano molta meno energia rispetto ai tradizionali bulbi a incandescenza, risparmiando fino al 90% di energia.Producono luce passando una corrente elettrica attraverso un piccolo chip, illuminando minuscole fonti di luce chiamate LED.A differenza delle lampadine a incandescenza, che producono luce riscaldando un filamento fino a quando non si illumina, i LED generano luce con molta meno energia.

I LED hanno parti chiamate dissipatori di calore che aiutano a gestire il calore che fanno.Questi dissipatori di calore si assumono e distribuiscono il calore per far funzionare bene i LED.Una buona gestione del calore fa durare più a lungo i LED e li mantiene luminosi.Se il calore non è gestito bene, i LED possono consumarsi più velocemente e diventare più dimmer.Quanto durano i LED e da quanto funzionano bene dipendono da quanto sono bravi e da quanto bene funzionano i loro dissipatori di calore.

Durata e degradazione

La durata della vita e la rottura sono punti principali per comprendere le prestazioni LED (diodo emettimo di luce).A differenza delle normali lampadine, che di solito si esauriscono all'improvviso, i LED diventano lentamente più dimmer nel tempo.Questo lento processo di attenuazione si chiama deprezzamento del lume.

L'ammortamento del lume si verifica perché i materiali all'interno dell'usura a LED, causando la produzione di meno luce.Di solito misuriamo la vita di un LED nel punto in cui la sua luminosità è scesa al 70% del suo livello originale.Ad esempio, se un LED inizia a 1000 lumen, la sua vita utile è considerata quando la sua luminosità cade a 700 lumen.

Diverse cose possono causare un deprezzamento del lume nei LED, come la temperatura, lo stress elettrico e la qualità dei materiali utilizzati per realizzarli.Le alte temperature possono accelerare l'usura delle parti a LED, rendendole più veloci.Allo stesso modo, lo stress elettrico, come troppa corrente o tensione, può abbreviare la vita di un LED causando ulteriori danni alle sue parti interne.

La qualità dei materiali utilizzati per realizzare LED influisce notevolmente anche per quanto durano.I LED realizzati con materiali migliori e metodi di costruzione tendono a durare più a lungo e si dimettono più lentamente.D'altra parte, i LED di qualità inferiore possono diminuire più rapidamente e avere una vita utile più breve.

L'ammortamento del lume si verifica quando i LED perdono luminosità nel tempo.Questo può essere causato da diversi fattori principali:

• Il calore eccessivo può danneggiare le parti interne del LED.I dissipatori di calore aiutano a gestire questo calore, ma se non funzionano bene, le parti a LED possono essere danneggiate.

• Le correnti e le tensioni elettriche elevate possono logorare i componenti all'interno del LED.Questa usura può rendere il LED meno luminoso.

• I materiali utilizzati nei LED, in particolare quelli bianchi, possono degradare nel tempo.Questo guasto al materiale porta anche a una perdita di luminosità.

• Le condizioni ambientali come l'umidità e la polvere possono influenzare i LED.L'umidità può causare parti di arrugginite o cortocircuiti e la polvere può bloccare la luce o interferire con il funzionamento del LED.

Applicazioni di LED

I LED, o diodi emessi alla luce, hanno cambiato molto il settore dell'illuminazione perché sono versatili ed efficienti.Possono essere utilizzati in molti modi, dalle lampadine regolari agli apparecchi integrati.Uno dei principali vantaggi dei LED è la loro piccola dimensione, che consente progetti di illuminazione creativi e innovativi.Ciò rende i LED perfetti sia per la sostituzione di lampadine tradizionali che per essere integrati in apparecchi personalizzati, fornendo soluzioni di illuminazione di lunga durata e risparmio di energia.

Nelle soluzioni di illuminazione ibrida, i LED sono combinati con design di illuminazione tradizionali.Questi sistemi hanno spesso parti LED sostituibili all'interno di dispositivi appositamente progettati, rendendo facile da mantenerle e aggiornarle.Questa combinazione prende le parti migliori delle tecnologie di illuminazione sia vecchie che nuove, migliorando l'esperienza complessiva dell'utente.

I LED possono essere utilizzati in molti luoghi diversi, dalle case agli ambienti industriali.La loro efficienza energetica è un grande vantaggio perché i LED usano meno energia rispetto alle luci tradizionali.Ciò significa fatture energetiche più basse e un impatto minore sull'ambiente.Inoltre, i LED durano più a lungo, quindi non hanno bisogno di essere sostituiti spesso, risparmiando tempo e denaro.

Gestione termica nei LED

Figura 7: gestione termica nei LED

Una corretta gestione del calore è molto utile per quanto funzionano i LED e per quanto durano.Quando vengono utilizzati i LED, producono calore.Se questo calore non è gestito bene, può danneggiare rapidamente i LED, rendendoli meno efficienti e accorciando la loro vita.

Una parte importante della gestione del calore a LED è il dissipatore di calore.I dissipatori di calore aiutano a prendere e diffondendo il calore dalla connessione del chip a LED con il circuito, rendendolo più fresco.Quanto funziona un dissipatore di calore dipende molto da ciò di cui è fatto e dal suo design.

Materiali come l'alluminio e il rame vengono spesso utilizzati per i dissipatori di calore perché possono allontanare il calore in modo efficiente.Inoltre, il design dei dissipatori di calore di solito include caratteristiche come le pinne, che aumentano la superficie che può rilasciare il calore.Questa superficie più ampia aiuta il dissipatore di calore a distribuire il calore dal LED, mantenendo il più fresco del LED e assicurandoti che funzioni bene per molto tempo.

Differenze tra LED e illuminazione tradizionale

I LED offrono numerosi vantaggi rispetto all'illuminazione tradizionale a incandescenza e CFL (lampada fluorescente compatta), in particolare nella direzione della luce e nella gamma di colori:

• illuminazione direzionale: i LED emettono la luce in una direzione specifica, ideali per l'illuminazione mirata come leggere lampade o riflettori.Al contrario, le lampadine a incandescenza e CFL emettono luce e calore in tutte le direzioni, che richiedono spesso riflettori o tonalità per focalizzare la luce, con conseguente spreco energetico.

• Opzioni di colore: i LED forniscono una vasta gamma di colori, tra cui ambra, rosso, verde e blu.La luce bianca può essere creata mescolando diversi LED colorati (ad es. Red, verde e blu) o usando LED rivestiti con fosfori che emettono luce bianca quando la luce blu o ultravioletta passa attraverso il fosforo.Questa vasta gamma di colori consente ai LED di soddisfare varie esigenze di illuminazione, dall'illuminazione calda e accogliente all'illuminazione luminosa e diurna.

Come funzionano i LED?

Figura 8: struttura di un LED

I LED (diodi emessi alla luce) funzionano come diodi e emettono luce quando sono distorti in avanti.In questa configurazione, il lato negativo (catodo) è collegato al terminale negativo di una sorgente di alimentazione e il lato positivo (anodo) è collegato al terminale positivo.Questa disposizione consente agli elettroni dalla regione N guadagnare energia e si sposta verso la regione P.Quando questi elettroni attraversano la giunzione e incontrano buchi nella regione P, rilasciano energia come luce.

Il colore della luce che un LED emette dipende dai materiali a semiconduttore utilizzati.Ad esempio, l'arsenuro di gallio produce luce a infrarossi, mentre il fosfuro di gallio può produrre luce verde o rossa.Queste differenze di colore provengono dai vari livelli di energia dei materiali, che decidono la lunghezza d'onda della luce emessa.

Un LED è costruito con un telaio di piombo, spesso chiamato incudine, che è collegato al terminale del catodo.Questa cornice contiene il materiale per semiconduttori.La regione P del semiconduttore è posizionata vicino alla superficie per assicurarsi che più luce esca dal LED invece di essere intrappolata all'interno.Questo design aiuta ad aumentare la luminosità e l'efficacia del LED.

Conclusione

I LED hanno molti vantaggi rispetto alle luci tradizionali.Usano meno energia, durano più a lungo e forniscono una migliore qualità della luce.I LED funzionano spostando gli elettroni attraverso un semiconduttore, trasformando direttamente l'energia elettrica in luce con pochissimo calore.Possono produrre colori diversi in base ai materiali utilizzati e i diversi disegni di tipo di lampada e LED di tipo chip li rendono ancora più utili.Man mano che la tecnologia migliora, i LED continuano a migliorare, offrendo più benefici e utilizzati in più modi.Comprendendo come funzionano i LED e i loro benefici, è chiaro perché stanno diventando la scelta preferita per l'illuminazione nelle nostre case, uffici e oltre.

Domande frequenti [FAQ]

1. Come funziona il display LED?

Un display a LED funziona usando molte piccole luci chiamate diodi a emissione di luce (LED).Queste minuscole luci brillano in diversi colori per creare immagini e testo.I circuiti elettronici controllano queste luci, accenderle e spento rapidamente per mostrare le immagini e i motivi desiderati.

2. A cosa servono le due cose principali i LED?

I LED vengono utilizzati principalmente per l'illuminazione e i display.Per l'illuminazione, offrono luce luminosa e salvante per case, strade e veicoli.Per i display, vengono utilizzati negli schermi per televisori, computer e cartelloni pubblicitari.

3. Qual è il principio del LED e del suo lavoro?

Il principio di un LED si basa su un processo chiamato elettroluminescenza.Quando una corrente elettrica scorre attraverso il materiale del LED, emana la luce.Ciò accade perché l'energia elettrica fa sì che gli elettroni si combinino con altre particelle, rilasciando energia come luce.

4. Perché i LED sono importanti?

I LED contano perché risparmiano energia, durano a lungo e fanno bene all'ambiente.Usano meno elettricità rispetto alle luci tradizionali e hanno una vita molto più lunga, quindi non hanno bisogno di essere sostituiti spesso.

5. Quali sono i vantaggi dei LED?

I vantaggi dei LED includono l'utilizzo di meno energia, la durata più lunga, l'essere più durevoli, essendo di dimensioni più piccole e l'accensione più velocemente.Producono anche meno calore e sono disponibili in molti colori, rendendoli utili per scopi diversi.