Led Ppt.Stefano Fabiani

2,335 views

Published on

Presentazione Stefano Fabiani, cenni sulla luce e sul funzionamento dei Led.
Seminario Led : la luce del futuro.

Published in: Technology
0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
2,335
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
8
Actions
Shares
0
Downloads
80
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Led Ppt.Stefano Fabiani

  1. 1. LED: la luce del futuro 19 marzo 2009 Relatori: Hotel Brigantino - Porto Recanati Andrea Volpini Ing. Stefano Fabiani Dott. Francesco Sperandini Ing. Manuele Marconi Roberto Volpini
  2. 2. • 19/03/2009 LED: la luce del futuro 2 Ing. Stefano Fabiani
  3. 3. Luce = Radiazione Luminosa caratterizzata da: • Lunghezza d’onda λ=c/f con c=300000 km/sec • Intensità Luminosa o Energia Pot. della Luce E=h*f con h=6,634x10-34 joule/sec (cost. di Planck) LA LUCE SI COMPORTA COME UN’INSIEME DI PARTICELLE DETTE FOTONI QUANDO INTERAGISCE CON LA MATERIA, MENTRE NELLA PROPAGAZIONE AGISCE COME UN’ ONDA ELETTROMAGNETICA 19/03/2009 LED: la luce del futuro 3 Ing. Stefano Fabiani
  4. 4. Emissione Luminosa costituita da una unica frequenza emessa in una determinata direzione (es: LASER= Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Insieme di più radiazioni emesse in varie direzioni e con lunghezze d’onda differenti (es: la Luce naturale) 19/03/2009 LED: la luce del futuro 4 Ing. Stefano Fabiani
  5. 5. ULTRAVIOLETTO INFRAROSSI VISIBILE GAMMA X RADIO 19/03/2009 LED: la luce del futuro 5 Ing. Stefano Fabiani
  6. 6. Energia che la radiazione luminosa può cedere ad un corpo opaco quando ne investe la superficie [cd = candela]. Simbolo: I CANDELA = Intensità posseduta da una superficie di area 1/6 x 10-5 m2 di un corpo nero ad una temperatura uguale a quella della solidificazione del platino, emessa in una direzione perpendicolare alla superficie stessa, in un ambiente alla pressione di 101,325 Pa (Pascal) Def. Corpo nero: entità fisica teorica capace di assorbire tutte le radiazioni che raggiungono la sua superficie 19/03/2009 LED: la luce del futuro 6 Ing. Stefano Fabiani
  7. 7. Rappresenta l’insieme di fotoni che attraversano una certa unità di area; ovvero il prodotto dell’ Intensità luminosa (I) per l’angolo solido (Ω) avente il vertice nella sorgente di luce puntiforme Φ = I x Ω [lm; lumen] Es: Lampada per bicicletta 2 W 18 lm Lampada ad incandescenza 100 W 1250 lm Lampada fluorescente L 40 W 3200 lm Lampada xenon arco lungo 20000 W 500000 lm La quantità di luce che raggiunge una superficie è invece il flusso luminoso misurato nell’unità di tempo Q = Φ x t [lm x sec] 19/03/2009 LED: la luce del futuro 7 Ing. Stefano Fabiani
  8. 8. E’ il rapporto tra il flusso luminoso e la superficie sulla quale viene distribuito secondo la relazione E= Φ / S [lux = lumen / m2] Esempi: Luce solare di giorno 100000 Lux Luce elettrica negli ambienti chiusi 10 100 Lux Luce naturale negli ambienti chiusi 100 1000 Lux Luce elettrica negli stadi di calcio 100 500 Lux Luna piena 0,1 Lux 19/03/2009 LED: la luce del futuro 8 Ing. Stefano Fabiani
  9. 9. La luminanza è pari al rapporto fra l’intensità luminosa emessa in una certa direzione e l’area della superficie emittente perpendicolare alla direzione stessa L= I / a [nit = cd / m2] La grandezza è indicativa dell’ abbagliamento che può indurre una sorgente. Es: Una lampadina di piccole dimensioni, con una superficie di emissione di un centimetro quadro con intensità di una candela, ha una luminanza di 10000 cd/m2. Un'altra lampadina con pari intensità ma con superficie di cento centimetri quadrati ha una luminanza di 100 cd/m2. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 9 Ing. Stefano Fabiani
  10. 10. La giunzione PN è l’unione di due parti di silicio o di germanio alle estremità delle quali vengono introdotte impurezze (drogaggio) Atomi pentavalenti: Atomi trivalenti: (Arsenico, Antimonio, Fosforo) (Boro, Gallio, Alluminio) Zona con Zona con eccesso di eccesso di Lacune Elettroni 19/03/2009 LED: la luce del futuro 10 Ing. Stefano Fabiani
  11. 11. Gli elettroni tendono a muoversi nella zona P così come le lacune nella zona N per diffusione RICOMBINAZIONE ELETTRONE-LACUNA 19/03/2009 LED: la luce del futuro 11 Ing. Stefano Fabiani
  12. 12. Gli elettroni e le lacune lasciano dietro di se gli ioni positivi degli atomi donori e gli ioni negativi degli atomi accettori. Il campo elettrostatico dovuto a queste cariche, immobili nel reticolo, si oppone al moto di diffusione deformando le bande di valenza e di conduzione 19/03/2009 LED: la luce del futuro 12 Ing. Stefano Fabiani
  13. 13. Per far condurre il diodo a giunzione PN bisogna applicare una d.d.p. di valore opposto alla barriera di potenziale creatasi agli estremi della regione di svuotamento 19/03/2009 LED: la luce del futuro 13 Ing. Stefano Fabiani
  14. 14. La temperatura è una forma di energia e come tale altera l’attività delle cariche che si muovono nei semiconduttori. In polarizzazione Inversa Un aumento di 10 C raddoppia la corrente inversa dei diodi, perché il calore energizza le cariche elettriche agevolandone il distacco, l’entrata in conduzione ed il passaggio nella regione opposta. In polarizzazione Diretta La tensione di soglia si abbassa di 2,5 mV all’aumento di 1 C della Temperatura di lavoro, in quanto il calore contribuisce ad aumentare l’energia applicata dal campo elettrico diretto e a vincere il campo della regione di svuotamento della giunzione. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 14 Ing. Stefano Fabiani
  15. 15. Ogni giunzione PN, quando viene polarizzata direttamente, emette una radiazione, solo che questa non sempre cade nel campo del visibile (es. silicio e germanio che emettono nel campo dell’infrarosso). II diodo luminoso lavora ed emette nel campo del visibile. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 15 Ing. Stefano Fabiani
  16. 16. Si applica una polarizzazione diretta sul diodo, l’elettrone viene eccitato acquistando una energia superiore e si allontana dal suo orbitale naturale (lavoro di estrazione: W0= h x f) Quando l’elettrone si ricombina con una lacuna cede l’energia prima acquisita sottoforma di luce W0 19/03/2009 LED: la luce del futuro 16 Ing. Stefano Fabiani
  17. 17. Nel Silicio e nel Germanio l’emissione avviene ad una frequenza al di sotto di quella corrispondente alla massima lunghezza d’onda visibile dall’occhio umano. Per avere una luce visibile il lavoro di estrazione deve essere almeno di 2,762 x 10-19 J il quale genera luce nell’ordine di λ=720 nm con una frequenza di 417 x 1012 Hz. Il lavoro di estrazione può anche essere espresso come W0 = e x V, con e=1,6 x 10-19 C e V il potenziale di estrazione del materiale semiconduttore. Quindi V = (h x c) / (e x λ) Il Potenziale di estrazione per avere luce rossa è 1,726 V. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 17 Ing. Stefano Fabiani
  18. 18. Angolo Critico: angolo che corrisponde alla completa riflessione dei fotoni. Più è piccolo minore è la quantità di luce prodotta visibile all’esterno Fotoni emessi = luce 19/03/2009 LED: la luce del futuro 18 Ing. Stefano Fabiani
  19. 19. L = [ (3.940 x ηE X ηO X J) / λ] x (AJ / AS) [ cd/m2 ] con ηe: Efficienza quantica esterna o rapporto tra gli elettroni ricombinati e i fotoni usciti dal led ηo: Efficienza luminosa dell’ occhio umano (Lumen/Watt) J: Densità di corrente nella giunzione AJ: Area di giunzione AS: Superficie emittente λ : Lunghezza d’onda espressa in micron 19/03/2009 LED: la luce del futuro 19 Ing. Stefano Fabiani
  20. 20. • Arseniuro di gallio (GaAs) diodi emittenti con λ = 640 700 nm • Arseniuro di gallio e alluminio (GaAl-As) con λ = 650 720 nm • Arseniuro fosfuro di gallio (Ga-AsP) con λ = 640, 600, 550 nm • Fosfuro di gallio (GaP) con λ = 500 nm • Fosfuro di gallio, alluminio e indio; con λ = 640 700 nm • Nitrato di gallio e indio (InGaN) per luce verde scuro, blu e bianca 19/03/2009 LED: la luce del futuro 20 Ing. Stefano Fabiani
  21. 21. Materiale di base: puro arseniuro di gallio che fa da substrato Crescita epitassiale: con immissione in forno di gas contenenti arsenico e fosforo Drogaggio N: immissione in forno di selenio che penetra in profondità Drogaggio P: immissione nel forno di un sale vaporizzato contenente zinco. Lo spessore di P deve essere molto più piccolo di N Realizzazione dell’ anodo: realizzato con alluminio in modo tale che sulla parte drogata di tipo P sia presente solo un ‘bollino’ che fa da elettrodo di anodo Realizzazione del catodo: elettrodo rivestito di alluminio per la parte inferiore; per evitare che si formi una giunzione, la zona N viene fortemente drogata per neutralizzare la penetrazione degli atomi di Al 19/03/2009 LED: la luce del futuro 21 Ing. Stefano Fabiani
  22. 22. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 22 Ing. Stefano Fabiani
  23. 23. A catodo comune, i colori vengono pilotati su ciascun anodo con una propria tensione riferita all’anodo. In questo caso è possibile accendere assieme i led per creare differenze di colorazioni A A K 19/03/2009 LED: la luce del futuro 23 Ing. Stefano Fabiani
  24. 24. A/K Diodi collegati in antiparallelo, i led in questo caso si possono illuminare 1 solo alla volta. Per cambiare colore basta invertirne la polarità, mentre per ottenere una luce gialla il led bicolore va alimentato con una tensione alternata A/K 19/03/2009 LED: la luce del futuro 24 Ing. Stefano Fabiani
  25. 25. • Composto da 3 giunzioni: Red, Green e Blue • L’unione delle 3 sorgenti luminose forma la luce bianca • Il catodo è in comune Spettro di emissione distribuito in modo da coprire le lunghezze d’onda dei 3 colori: Rosso, Verde e Blu. Il diodo bianco è arricchito di selenio (drogante esavalente) e zinco (drogante bivalente). 19/03/2009 LED: la luce del futuro 25 Ing. Stefano Fabiani
  26. 26. COLORE TENSIONE DI SOGLIA Tensioni di soglia dei led per i vari colori; si noti che i valori sono tanto più alti quanto ROSSO 1,8 V minore è la lunghezza d’onda infatti: GIALLO 1,9 V ARANCIO 2,0 V V = (h x c) / (e x λ) VERDE 2,0 V BLU/BIANCO 3,0 3,5 V BLU 3,5 3,8 V 19/03/2009 LED: la luce del futuro 26 Ing. Stefano Fabiani
  27. 27. • NATI PER SOSTITUIRE I FARI A LAMPADA TRADIZIONALE • MINOR CONSUMO DI CORRENTE • MAGGIORE DURATA • MAGGIORE ROBUSTEZZA IL CHIP IN QUESTO CASO VIENE SALDATO SU UN SUBSTRATO DI ALLUMINIO I MODO TALE DA GARANTIRE LO SMALTIMENTO DI CALORE NECESSARIO 19/03/2009 LED: la luce del futuro 27 Ing. Stefano Fabiani
  28. 28. • VF caduta di tensione in polarizzazione diretta o tensione di soglia • VR tensione inversa o di interdizione applicabile illimitatamente • VRRM tensione inversa impulsiva, quando il led deve essere alimentato a tensione alternata (in questo caso il costruttore indica la durata degli impulsi) • IF corrente in continua sopportabile in polarizzazione diretta • PTOT potenza max dissipabile dal componente ad una T di lav. • TJMAX max T di lav. della giunzione prima del danneggiamento • θJA resistenza termica tra giunzione e ambiente (poco usata) • θJC resistenza termica tra giunzione e contenitore • θCR resistenza termica tra contenitore e radiatore 19/03/2009 LED: la luce del futuro 28 Ing. Stefano Fabiani
  29. 29. • λdom lunghezza d’onda dominante dell’emissione luminosa • λpeak lunghezza d’onda di picco (non sempre dichiarata) • IV Intensità luminosa tipica espressa in mcd (fino a 2500 mcd) • ΦV flusso luminoso tipico espresso in mlumen (fino a 10000 mlm) • 2φ angolo di emissione: angolazione complessiva che i raggi di luce formano uscendo dalla giunzione (varia tra i 40 ed i 150 ) 19/03/2009 LED: la luce del futuro 29 Ing. Stefano Fabiani
  30. 30. Scopo della polarizzazione di un LED è di fissare i valori della Tensione e della Corrente dirette a livelli tollerabili dalla giunzione e corrispondenti alla Intensità Luminosa desiderata. CIRCUITO ELEMENTARE PER IL LED: IF R VF R = (VCC – VF) / IF A VCC K 19/03/2009 LED: la luce del futuro 30 Ing. Stefano Fabiani
  31. 31. Quando si devono accendere più LED e la tensione di partenza (alimentatore o batteria) è più alta di quella della soglia dei LED, si utilizza la connessione in serie. Le perdite di potenza vengono quindi limitate dalla resistenza posta in serie appunto al LED R La Potenza dissipata su R sarà data da: VCC PR = (VCC – 3VF) x IF 19/03/2009 LED: la luce del futuro 31 Ing. Stefano Fabiani
  32. 32. Quando si devono accendere più LED e la tensione di partenza (alimentatore o batteria) è dello stesso ordine di quella dei LED, si utilizza la connessione in parallelo. In questo caso però i LED devono essere dello stesso tipo. Se la tensione di lavoro R dei LED in parallelo è differente si potrebbe VCC illuminare solamente un LED piuttosto che un altro 19/03/2009 LED: la luce del futuro 32 Ing. Stefano Fabiani
  33. 33. In regime continuo è possibile ottenere una determinata intensità luminosa costante e quindi un’ illuminazione costante. Se il LED viene alimentato in maniera discontinua, ossia con impulsi di tensione, si ottiene un’ illuminazione minore, la cui entità è direttamente proporzionale al valore medio della corrente. V Ti Valore medio della tensione: Vi Vm = dc x Vi t Tp 19/03/2009 LED: la luce del futuro 33 Ing. Stefano Fabiani
  34. 34. • Durano decine di volte di più delle lampade convenzionali • Sono meccanicamente robusti e se cadono a terra non si danneggiano • A parità di Illuminamento consumano molta meno energia elettrica • Sono meno inquinanti dei fosfori contenuti nei tubi fluorescenti o dei gas o vapori delle lampade a grande potenza • Pesano pochissimo • Possono emettere svariate tinte cromatiche senza bisogno di filtri ottici o gelatine 19/03/2009 LED: la luce del futuro 34 Ing. Stefano Fabiani
  35. 35. Il componente a semiconduttore come il LED va incontro alla cosiddetta deriva termica; cioè il punto di lavoro del LED non è costante nel tempo Tale variazione dipende dalla temperatura raggiunta dalla giunzione e, con il passare del tempo, se il calore prodotto non viene smaltito, la deriva si accentua sempre di più. Ogni grado centigrado di aumento fa si che la VF si abbassi di 2,5 mV La resistenza serie fa cadere su di se una Tensione sempre più alta Aumento della corrente anche nel LED Occorre stabilizzare l’erogazione della corrente nel LED 19/03/2009 LED: la luce del futuro 35 Ing. Stefano Fabiani
  36. 36. 19/03/2009 LED: la luce del futuro 36 Ing. Stefano Fabiani

×