Breve descrizione del Diodo LED passando per il diodo a giunzione…

L’acronimo LED deriva da Light Emitting Diode, ovvero un diodo emittente luce. Quindi dapprima occorre conoscere cosa sia un diodo, che in breve si può identificare come un dispositivo elettronico a due terminali nominati anodo (A = terminale positivo) e catodo (K =terminale negativo), e si può anche dire che questo componente è di tipo attivo ovvero in funzione del tipo di polarizzazione ai suoi terminali si comporta diversamente nei confronti dell’intensità di corrente: se polarizzato inversamente questo componente blocca il passaggio di intensità di corrente quindi reagisce attivamente al passaggio di corrente elettrica, e non passivamente come i resistori ad esempio, mentre se polarizzato direttamente lascia passare l’intensità di corrente elettrica.
Di seguito il simbolo del diodo, ed i riferimenti dei suoi terminali con un esempio di un diodo tipo 1N4002, si nota la tacca di riferimento che indica appunto il terminale di catodo.

1 DIODO

Si è parlato di polarizzazione dei terminali del diodo, con questo termine si intende i riferimenti di alimentazione del diodo, ovvero se si polarizza il diodo direttamente si intende collegare il terminale di anodo al positivo di alimentazione, ed il terminale di catodo al negativo di alimentazione, in questo caso il diodo lascia passare l’intensità di corrente, e la tensione di alimentazione prende il nome di alimentazione diretta, indicata con Vf ovvero Voltage forward.
In pratica si può riassumere il comportamento di un diodo in quell di lasciarsi attraversare dall’intensità di corrente elettrica solo in un verso, ovvero quello di polarizzazione diretta, come se fosse un interruttore chiuso; mentre nella polarizzazione inversa blocca il passaggio di intensità di corrente elettrica come un interruttore aperto, questo però vale per un diodo ideale, in pratica nella polarizzazione inversa il diodo è interessato dal passaggio di una piccolissima intensità di corrente detta corrente di fuga.
Quanto visto, è per quanto concerne (in breve..) il funzionamento del diodo, che dipende dalla sua fondamentale caratteristica costruttiva, ovvero quella di essere un dispositivo semiconduttore, cioè realizzato da una giunzione di tipo PN, realizzata in un blocchetto di semiconduttore, con il drogaggio delle zone interessate, ovvero sono stati introdotti atomi da un lato di elementi pentavalenti (N) e dall’altro trivalenti (P), nella zona di confine tra le due zone i crea una zona di svuotamento dovuta al fatto che gli elettroni in eccesso della zona N vanno a colmare le lacune nella zona P, realizzando così una barriera di potenziale negativa sul lato P e positiva sul lato N.

2 giunzione PN

La tensione di alimentazione del diodo, in polarizzazione diretta, perché porti il diodo in conduzione, viene chiamata tensione di soglia (Vs), e la rispettiva intensità di corrente viene detta corrente diretta; nella polarizzazione inversa del diodo la debole intensità di corrente che passa, viene detta corrente di fuga o corrente di saturazione inversa, ovviamente queste grandezze dipendono dal tipo di diodo, o meglio dalle caratteristiche del diodo (tensione di soglia, ed andamento della curva caratteristica di tensione/corrente).
Il diodo è un dispositivo di tipo semiconduttore, perché ottenuto da un blocchetto di semiconduttore (silicio o germanio) alle cui estremità attraverso la tecnica detta drogaggio, vengono introdotte delle impurità (atomi trivalenti o pentavalenti) realizzando eccesso di portatori di carica elettrica (elettroni) da un lato e carenza di questi dall’altro (buchi), ottenendo così una zona di tipo N (catodo) zona drogata con atomi pentavalenti (Arsenico, Antimonio, Fosforo), ed una zona di tipo P (anodo) zona drogata con atomi trivalenti (Boro, Gallio, Alluminio). Tra queste due zone si crea un fenomeno, ovvero gli elettroni in eccesso nella zona drogata con atomi pentavalenti vanno a riempire le lacune lasciate dagli atomi trivalenti nella zona P realizzando così una terza zona, ovvero la zona di svuotamento dove non vi sono cariche libere, questa zona risulta come una barriera che isola le due zone P ed N, come una barriera di potenziale che isola la conduzione della giunzione PN e quindi del diodo.
Ora per portare il diodo in conduzione, quindi in polarizzazione diretta, bisognerà applicare ai suoi terminali una tensione di alimentazione di valore opposto a quella della barriera di potenziale, ovvero positiva nella zona P, cioè l’anodo e negativa nella zona N cioè il catodo, ed il valore di questa tensione dovrà superare quello della tensione di soglia Vs. Questa condizione è graficamente rappresentata, nel primo quadrante della caratteristica tensione-corrente di un diodo.

3 schema e curva primo quadr diodo

Il valore della tensione che occorre per portare in conduzione un diodo detta tensione di soglia, Vs, per le giunzioni PN in silicio corrisponde a 0,6 V mentre per le giunzioni PN al germanio corrisponde a 0,2 V.
Mentre nella polarizzazione inversa , il diodo non conduce in quanto si aumenta la terza zona, la barriera di potenziale; in questo caso si ha il solo passaggio della debole corrente di fuga o corrente inversa (Io) e questo fin quando non si supera con la tensione di alimentazione il valore di tensione di rottura (Vb), con conseguente corrente inversa e rottura della giunzione, valore questo disponibile nei datasheet forniti dai costruttori per ogni tipo di diodo.
Bisogna però precisare che alcuni tipi di diodi, noti con il nome di diodi zener sfruttano per il loro funzionamento proprio questo punto di lavoro in corrispondenza della tensione inversa di rottura, o di breakdown, indicata nel terzo quadrante della curva caratteristica tensione-corrente del diodo.

4 caratteristica completa del diodo

Un altro elemento fondamentale perché il diodo possa lavorare nei suoi parametri caratteristici è la temperatura, che altera il suo funzionamento se assume valori critici, secondo i quali l’intensità di corrente elettrica inversa aumenta e la tensione di soglia diminuisce, causando un malfunzionamento del diodo.
A questo punto abbiamo le informazioni essenziali per approcciare il LED, acronimo che deriva da Light Emitting Diode, ovvero diodo emettitore di luce, si capisce quindi che si tratta di un normale diodo a giunzione realizzato per lasciar passare la luce emessa con la minore attenuazione possibile.
Quando il diodo è polarizzato direttamente scorre in esso un’intensità di corrente diretta, generata dal movimento di elettroni che vanno verso la zona P e delle lacune verso la zona N, nella zona di congiunzione vi è la possibilità di ricombinazione di coppie elettrone-lacuna con decadimento dell’energia dell’elettrone, questo significa emettere energia di tipo termica nelle giunzioni PN di normali diodi, mentre nei diodi LED diventa di tipo luminoso.

5 diodo led

Ora per sfruttare questa emissione, si realizzano diodo LED con composti particolarmente adatti allo scopo, tipo fosfuro di gallio, arsenurio di gallio etc etc e da opportuni agenti droganti, l’intensità di emissione luminosa dipenderà proporzionalmente all’intensità di corrente elettrica diretta, entro i limiti imposti dal costruttore nelle caratteristiche del diodo LED ed inversamente proporzionale alla temperatura.
Quindi per il funzionamento del diodo LED vale quanto già detto per il diodo, con una differenza evidente per l’aspetto costruttivo, a partire dai terminali che pur essendo comunque anodo e catodo, la loro identificazione è possibile grazie ad una tacca di riferimento realizzata sul corpo del diodo LED in corrispondenza del terminale di anodo, o l’individuazione di questi per una lunghezza inferiore rispetto a quella del terminale di catodo. Altra differenza sta nel simbolo di identificazione, che differisce da quello del diodo per la presenza di due freccette che indicano la caratteristica di emissione luminosa.

6 struttura diodo led

Nella pratica occorre aver presente, che per una corretta polarizzazione del diodo LED occorre considerare il valore della tensione diretta (Vo o VF) in Volt, specifica di quel diodo LED, ed il valore limite dell’intensità di corrente diretta (Io o IF) in mA, facendo attenzione a non superare l’ampiezza limite di quest’ultima grandezza (in genere 20 mA per i diodo LED 5mm) tenendosi al disotto del valore indicato dal costruttore si garantisce una vita lunga al diodo LED.
Se consideriamo i diodi led da 5mm più comuni, per ogni tipo di colore disponibile si ha una corrispondente tensione di soglia Vs, che risulta essere tanto più alta quanto minore è la lunghezza d’onda, e questo perché la luce ad alta frequenza la si ottiene con fotoni ad alto livello energetico, prodotti al rientro negli orbitali da elettroni fortemente energizzati che per spostarli occorre una notevole tensione, quindi un basso valore di tensione fornisce poca energia quindi elevata lunghezza d’onda.
Rosso … Vs =1,8 V – Giallo= 1,9 V – Arancio = 2,0 V – Verde = 2,0 V – Blu = 3,0 V—Bianco = 3,0 V , ovviamente questi valori di tensione sono generici, l’ideale è avere a disposizione per il diodo led in uso il rispettivo datasheet del costruttore.

Nella pratica

i diodi led trovano applicazioni in ogni dispositivo di tipo elettronico sia come indicazione di stato (spia luminosa) che come elemento di illuminamento (lampade led), pertanto per poterli utilizzare al meglio occorre avere un minimo di conoscenze di base del dispositivo in particolare per la loro alimentazione, quindi delle loro caratteristiche.

I “parametri elettrici” che caratterizzano un diodo led (datasheet) sono:
VF = ovvero la caduta di tensione in polarizzazione diretta, in genere definita dalla tensione di soglia o quella a cui corrisponde un valore di intensità di corrente diretta, questo parametro può essere indicato anche come la massima tensione diretta sopportabile dal diodo led;
VR = tensione inversa che si può applicare per un periodo illimitato;
VRRM = è la tensione inversa impulsiva che si può applicare ripetutamente, per la quale il costruttore indica la durata degli impulsi che il diodo può supportare tale tensione, valore utile quando si vuole alimentare il diodo in corrente alternata;
IF = intensità di corrente continua supportata in polarizzazione diretta per un periodo illimitato;
PTOT = è la potenza massima che il componente può dissipare alla temperatura di lavoro;

TjMAX =è la massima temperatura di lavoro del diodo prima della rottura;
ϴja = resistenza termica tra la giunzione e l’ambiente esterno, importante se si considera la curva di derating ed il diodo deve lavorare in ambienti caldi;
ϴjc =resistenza termica tra giunzione e contenitore, serve per dimensionare il dissipatore nei power led
ϴcr =resistenza termica tra contenitore e radiatore, per i led hi power per il dimensionamento del suo radiatore.
Quelli visti sono i parametri elettrici di un diodo led, nel datasheet vengono indicati anche i parametri caratteristici illuminotecnici, utili per il dimensionamento per l’aspetto illuminotecnico.
Ora vediamo l’utilizzo dei diodi led nella pratica …
Si era detto che nel polarizzare direttamente un diodo led è fondamentale mantenere il valore di intensità di corrente diretta entro il limite indicato dal costruttore, per ottenere il giusto flusso luminoso del diodo led e senza che questo si bruci.
Per realizzare questo, abbiamo detto che occorre polarizzare il diodo led, significando con questo voler fornire al diodo led il giusto valore di tensione, per portare il punto di lavoro del diodo led in una determinata zona della curva caratteristica, mantenendo il valore di corrente e di tensione nei valori indicati dal costruttore.
Prendiamo come esempio un diodo led del diametro di 5 mm, per il quale vengono indicati i seguenti parametri:
VF circa 2V ; ed un’intensità di corrente diretta IF compresa fra i 10 mA ed i 20 mA;

7 caratteristica puntodi lavoro

Per limitare il valore di intensità di corrente nel diodo led, prossimo al valore limite, IF ed il valore di tensione diretta VF, indicati dal costruttore, facendo così lavorare correttamente il diodo led, occorre utilizzare un ulteriore dispositivo : un resistore, di adeguata potenza e valore ohmico.
Supponiamo di dover alimentare un diodo led, diametro 5 mm, con VF =2V ed IF =20 mA ed avendo a disposizione una tensione di alimentazione di Vcc = 12 V, a questo punto dovremmo dimensionare un resistore per limitare il valore di tensione e di corrente .
La questione si risolverà rapidamente applicando la legge di Ohm ,con la tensione espressa in Volt e la corrente in Ampere, si ottiene il valore in Ohm del resistore :

sostituendo i valori si ottiene

\(R=\frac{12-2}{0,02}=500\Omega\)

Che il resistore dovrà avere un valore di resistenza di 500 Ohm, e di potenza pari a

\(P=R I^{2}\)

sostituendo i valori si ottiene

\(P=500\cdot 0,02^{2}= 0,2W\)

Pertanto con un resistore della potenza di ¼ W e di 500 Ohm o valore prossimo commerciale, si potrà polarizzare il nostro diodo led.

8 polarizzazione diretta

9 diodo led polarizz diretta in pratica

Conclusioni.

Ora di tutta questa breve esposizione (mi perdonino gli esperti..) sulla giunzione PN, e quindi del diodo Led per l’aspetto prettamente pratico, occorre aver presente che quando si utilizza un diodo Led, è fondamentale conoscere i suoi parametri elettrici (datasheet) per polarizzare direttamente e correttamente il diodo Led, e questo “sempre con un Resistore” per limitare l’intensità di corrente, e fornire la giusta caduta di tensione.
Va anche detto, che non sempre il resistore è la soluzione corretta, in quanto occorre considerare la quantità di diodi Led in gioco, il tipo di connessione ed anche il tipo di diodo Led; perché le tipologie di diodi Led in commercio sono diverse e diverse sono le intensità di corrente in gioco. Ad esempio un power Led di alcuni watt di potenza può assorbire fino a 500 mA, con quest’ordine di grandezza il resistore inizia ad avere potenze interessanti, quindi se si va oltre si rischia di realizzare delle stufette limitatrici di intensità di corrente, e questo non è energeticamente conveniente, e l’affidabilità è proprio il caso di dirlo va a farsi friggere… in questi casi si ricorre all’utilizzo di alimentatori elettronici in corrente costante, o dispositivi utili allo scopo.
Sulla tipologia di diodi Led, le loro possibili connessioni, e i circuiti di alimentazione se riesco ne parlerò in seguito.

Link utili
LED… http://it.wikipedia.org/wiki/LED
Datasheet Led 3 mm … http://www.farnell.com/datasheets/67052.pdf

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4 commenti su “Breve descrizione del Diodo LED passando per il diodo a giunzione…

  1. Avatarmario il said:

    salve, nella maggior parte delle volte viene indicato l’elttrodo interno più piccolo come l’anodo a cui è collegato il filo esterno più lungo, mi sono imbattuto (il mio primo) in un led rosso che all’elettrodo interno più piccolo anodo è collegato il filo esterno più corto, è sempre da considerare l’elettrodo interno più piccolo l’anodo anche se è collegato al filo esterno più piccolo e dandogli tensione non si accende? (non è difettoso/farlocco ne ho visti diversi)

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    • Salve Mario. Riguardo all’individuazione dell’anodo di un diodo led (mi riferisco ai classici diodi led) è opportuno avere come riferimento per l’individuazione la tacca di riferimento come indicato nell’articolo, non ultima verifica della bontà di funzionamento può essere quella di utilizzare un multimetro in portata prova diodo, oppure se non si ha disponibile questa portata utilizzare la portata per ohm più bassa disponibile.

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  2. KirkadminKirkadmin il said:

    Veramente completa la “breve descrizione”. Immagino quanto potrebbe essere una completa descrizione. Sempre così Electrician, mai sfociare nella forma prolissa.

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    • Salve admin. La mia esposizione, è comunque “breve” se si considera che si dovrebbe trattare dapprima la teoria dei semiconduttori, per poi passare alla giunzione PN e quindi al diodo LED… la strada è lunghetta … 😉

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