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di Raffaele Ilardo


I DIODI LED


Il termine "LED" è un acronimo che sta per "Light Emitting Diode", ovvero "diodo che emette luce". I led sono costituiti da una giunzione P-N realizzata con arseniuro di gallio o con fosfuro di gallio, entrambi materiali in grado di emettere radiazioni luminose quando siano attraversati da una corrente elettrica; il valore di tale corrente è compreso fra 10 e 30 mA.

Diodo led
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.
I led hanno un terminale positivo ed uno negativo, e per funzionare devono essere inseriti in circuito rispettando tale polarità; in genere il terminale positivo è quello più lungo, ma lo si può individuare con certezza osservando l'interno del led in controluce: come si vede in figura, l'elettrodo positivo è sottile, a forma di lancia, mentre il negativo ha l'aspetto di una bandierina.
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; la caduta di tensione ai capi di un led può variare da 1,1 a 1,6 V, in funzione della lunghezza d'onda della radiazione emessa (a lunghezze d'onda minori corrisponde una caduta di tensione più alta).
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. Uno dei tanti impieghi del led è ad esempio quello di iniettori di segnali nelle reti a fibre ottiche.
I led più comuni emettono luce rossa, arancio, gialla o verde. In tempi relativamente recenti si è riusciti a produrre un led caratterizzato dall'emissione di luce blu chiara, utilizzando il Nitruro di Gallio (GaN); la disponibilità di un led a luce blu è molto importante poichè consente di ricreare, insieme alle radiazioni rossa e verde, una sorgente di luce bianca.

UN PO' DI FISICA

Quando, per effetto della tensione di polarizzazione diretta, gli elettroni e le lacune vengono guidati nella regione attiva compresa fra il materiale di tipo N e quello di tipo P, l'energia può essere convertita in fotoni, infrarossi oppure visibili. Questo implica che le coppie elettrone-lacuna passino a uno stato di maggiore stabilità, rilasciando un'energia dell'ordine di alcuni eV (elettroni volt) tramite emissione di un fotone: il rosso all'estremo dello spettro visibile, corrispondente a 700 nm, richiede, per l'emissione di un fotone, il rilascio di un quanto di energia pari a 1,77 eV; all'estremo opposto il violetto, avente lunghezza d'onda di 400 nm, richiede 3,1 eV.
La caduta di tensione ai capi del led e la lunghezza d'onda della radiazione emessa sono correlati all'esistenza di un intero intervallo di livelli energetici proibiti, meglio noto come "Energy gap" e indicato con Eg, nel quale l’elettrone o la lacuna non possono stare: i portatori vanno dunque ad occupare solo i livelli di energia permessi, i quali formano le cosiddette "bande energetiche". La "bandgap energy", o Eg, viene definita in base alla relazione: Eg = hc/λ = 1240 eV / λ
essendo h la costante di Plank (pari a 4,13 x 10-15 eV·s), c la velocità della luce (2,998 x 108 m/s) e λ la lunghezza d'onda in nm.

Di seguito sono riportate le caratteristiche principali dei materiali comunemente usati come emettitori di luce:

Materiale Formula Energy Gap Lunghezza d'onda
Fosfuro di Gallio GaP 2.24 eV 550 nm
Arseniuro di Alluminio AIAs 2.09 eV 590 nm
Arseniuro di Gallio GaAs 1.42 eV 870 nm
Fosfuro di Indio InP 1.33 eV 930 nm
Arseniuro di Alluminio-Gallio AIGaAs 1.42-1.61 eV 770-870 nm
Fosfuro-Arseniuro di Indio-Gallio InGaAsP 0.74-1.13 eV 1100-1670 nm

Come si calcola la resistenza in serie al led


Abbiamo già detto che in serie al led occorre inserire una resistenza per limitare il passaggio di corrente; 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: vogliamo far funzionare un led con una tensione di 12 V, limitando la corrente a 20 mA (e cioè a 0,02 A)
R = (12 - 1,4) : 0,02 = 530 ohm (poichè tale valore non esiste in commercio, useremo il valore standard più vicino, ad esempio 470 oppure 560 ohm)

Un semplice circuito per controllare l'isolamento

Con un led e due transistor si può costruire un semplice circuito utile per verificare l'isolamento di parti elettriche o per controllare il buono stato dei condensatori di piccola capacità (vedere figura in basso). I transistor sono due NPN di piccola potenza (tipo BC547 o equivalenti); si nota che sulla base di TR1 arriva la corrente proveniente dall'emettitore di TR2: questo tipo di collegamento viene definito "configurazione Darlington" e permette di ottenere un elevato guadagno di corrente.

In breve, una debolissima corrente sulla base di TR2 è in grado di far accendere il Led che si trova sul collettore di TR1; se per esempio provate a toccare con una mano l'ingresso IN1 e con l'altra l'ingresso IN2, vedrete che il led si accende, e si accende tanto di più quanto più stringete i fili fra le dita. In effetti il led si accende grazie alla debolissima corrente proveniente dal polo positivo, che attraversa il vostro corpo (da una mano all'altra) ed arriva alla base di TR2 attraverso la resistenza RB2.
Il condensatore C da 4700 pF serve ad inviare a massa eventuali disturbi che potrebbero essere captati dall'ingresso, a causa della sua alta impedenza.
Allo stesso modo, se con i due fili di entrata IN1 e IN2 toccate qualunque altro materiale od oggetto, potrete verificare il grado di isolamento esistente: se il led rimane completamente spento, l'isolamento è totale.
Analogamente è possibile verificare il buon funzionamento dei piccoli condensatori, di capacità fino a qualche migliaio di pF. Collegando il condensatore ai due fili di entrata, il led si accenderà per un breve istante, quindi si spegnerà, più o meno rapidamente a seconda della capacità del condensatore; se il led rimane acceso, anche debolmente, vuol dire che il condensatore è in dispersione. Tanto per avere un'idea, con condensatori di qualche migliaio di pF il led farà solo un breve lampo; con condensatori da 0,1 µF in su il led rimarrà acceso alcuni secondi, per spegnersi poi gradualmente.
Potete far funzionare il circuito con una pila da 4,5 V; fate attenzione a collegare il led in modo che il terminale positivo corrisponda al Positivo dell'alimentazione