Salve e benvenuti al nostro tutorial dove diamo uno sguardo a tutte le cose LED. Prima di tutto, cos’è un LED? LED sta per Light Emitting Diode ed è un componente elettronico utilizzato per convertire l’energia elettrica in energia luminosa. Questo processo è chiamato elettroluminescenza. La tecnologia LED è intorno a noi, indicatori sull’elettronica di consumo, luci dei freni automobilistici, schermi televisivi, quasi ogni prodotto elettronico utilizzerà i LED in qualche modo, forma o aspetto. L’uso diffuso della tecnologia LED è dovuto all’efficienza energetica, alla forma compatta, alla robustezza e alla facilità d’uso rispetto alle forme tradizionali di illuminazione. Quindi, ora che sappiamo che sono utili, come funzionano?
In questo articolo, useremo la teoria e i termini dell’elettronica di base, quindi se non hai familiarità con la legge di Ohm, la tensione, la corrente e altri termini simili, leggi prima il nostro corso intensivo di elettronica analogica.
Principio di funzionamento dei LED
Un LED, come dice il nome, è un tipo speciale di diodo, che emette energia elettromagnetica (luce) quando viene attivato. Non andremo dritti al nocciolo della fisica dietro la tecnologia dei semiconduttori, ma un diodo consiste in una giunzione P-N. Una giunzione P-N è costituita da due materiali semiconduttori, uno elaborato (‘drogato’) per avere un gran numero di elettroni (N per negativo, poiché gli elettroni sono particelle caricate negativamente), e l’altro drogato per avere meno elettroni, o ‘buchi’ dove gli elettroni mancano (P per positivo, poiché l’assenza di elettroni crea una carica positiva). Quando una corrente passa attraverso questa giunzione, gli elettroni saltano dal lato N al lato P per riempire i buchi mentre gli elettroni si muovono nel circuito e quando gli elettroni attraversano questa lacuna, viene emessa energia (nel caso dei LED, energia luminosa). La fisica di livello inferiore è un po’ più complicata di così, ma basta dire che si può controllare la lunghezza d’onda dell’energia emessa (la lunghezza d’onda corrisponde a un colore della luce visibile) alterando la costruzione del LED e i materiali usati per creare la giunzione P-N.
Da User:S-kei – File:PnJunction-LED-E.PNG, CC BY-SA 2.5
Parlando di colori, i LED sono disponibili in una grande varietà di colori, forme, dimensioni e intensità (luminosità), tuttavia, qualcosa che spesso confonde le persone è perché i LED blu sono di solito più costosi di altri colori di LED. È a causa del fatto che mentre i colori come il rosso, il verde e i LED a infrarossi sono stati intorno per quasi mezzo secolo, i LED blu sono stati intorno solo per un decennio o due perché richiedono un materiale diverso e un processo di costruzione (nitruro di gallio GaN). Al giorno d’oggi però è possibile ottenere quasi tutti i colori di LED, compresi i LED a spettro non visibile come gli infrarossi (come quelli usati nei telecomandi) e gli ultravioletti.
Costruzione di un LED
Un LED è un dispositivo abbastanza semplice, consiste in un corpo epossidico (chiaro o colorato) con il semiconduttore al centro collegato a due cavi. I due cavi di un diodo sono conosciuti come anodo e catodo. L’anodo del LED è il cavo positivo e il catodo è il cavo negativo. Sui LED standard a foro passante, il corpo avrà un bordo appiattito su un lato, il cavo su questo lato è il catodo e di solito è anche il cavo più corto. I LED, come i diodi, sono dispositivi polarizzati, il che significa che permettono alla corrente di fluire solo in una direzione. Se inserite un LED nel vostro circuito in modo errato, non si romperà, semplicemente non si accenderà.
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Quindi è bello saperlo e tutto il resto, ma come si fa effettivamente ad usare i LED? Diamo un’occhiata.
Utilizzare i LED
Sebbene ci siano molti tipi diversi di LED per diverse applicazioni tra cui l’illuminazione automobilistica e domestica, oggi ci concentreremo specificamente sui tipi di LED standard utilizzati in elettronica. Questi LED sono disponibili in varie forme come i pacchetti a foro passante da 10mm-3mm e i pacchetti SMD, tuttavia il principio è lo stesso. Quando si usano i LED, ci sono 2 caratteristiche importanti che devono essere considerate per farli funzionare correttamente. Poiché i LED sono solo un tipo speciale di diodo, molti dei principi discussi qui si applicano anche ai diodi.
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Tensione diretta:
Perché un LED emetta luce, una certa tensione deve essere applicata attraverso il LED. Questo è noto come ‘tensione diretta’, o per dirla in un altro modo, il LED causerà una perdita di una tensione fissa attraverso di esso, e questo è necessario per produrre luce. Per la maggior parte dei LED, questo è tra 1.7V-3.3V a seconda del colore della luce emessa (un LED blu richiede una tensione in avanti più alta di un LED rosso).
Corrente in avanti:
Come per un componente elettronico, un LED è un carico su un circuito e quando un circuito è completato, la corrente scorre. La corrente diretta di un LED si riferisce alla quantità di corrente che consumerà quando funziona alla sua luminosità prevista. Per la maggior parte dei LED, è tra 15mA-20mA ed è importante prendere nota di questo come consentire a un LED di disegnare troppa corrente accorcia drammaticamente la sua vita (un LED blu collegato direttamente a un’alimentazione a 12V senza alcuna limitazione di corrente sarà distrutto in pochi secondi). A causa della corrente estremamente bassa rispetto alla luminosità, i LED stanno sostituendo le forme tradizionali di illuminazione in quasi tutti i settori grazie alla loro efficienza.
Proteggere i LED con una resistenza di limitazione della corrente:
Così la corrente e la tensione sono importanti, quindi come ci assicuriamo che i nostri LED siano alimentati in modo sicuro ed efficiente? Beh, dato che la maggior parte degli alimentatori sarà maggiore della tensione diretta, e sarà cavo di alimentazione più della corrente diretta, abbiamo bisogno di creare un carico aggiuntivo sul nostro circuito, quindi usiamo un resistore.
Se hai letto il nostro corso intensivo di elettronica analogica, avrai una buona idea di come funzionano i resistori, ma ricapitoliamo velocemente. Il lavoro di un resistore è quello di (avete indovinato) resistere al flusso di elettroni (corrente), e qualsiasi carico resistivo causerà una caduta di tensione attraverso di esso. Quindi possiamo usare un resistore per limitare la corrente fornita al nostro LED e calcolare la resistenza necessaria è una semplice questione di applicare la legge di Ohm: V=IR (Tensione = Corrente x Resistenza). Quindi scaviamo!
Prendiamo le seguenti caratteristiche di un tipico LED rosso con una tensione diretta di 1,8V e una corrente diretta di 20mA. Per la simulazione, useremo un alimentatore da 9V.
Quindi useremo la legge di Ohm per trovare il valore della resistenza di cui abbiamo bisogno, quindi riorganizziamo la formula in R=V/I, dobbiamo solo trovare la caduta di tensione attraverso il resistore e la corrente per darci la resistenza. Se il LED perde 1.8V attraverso di esso, altri 7.2V cadranno attraverso il resto del circuito (il nostro resistore), quindi V=7.8. Visto che vogliamo limitare la corrente attraverso il circuito a 20mA, I=0.02 (Ampere). Così ora possiamo dividere 7,2 per 0,02 per darci: 360. Quindi abbiamo bisogno di una resistenza di limitazione della corrente di 360 Ohm.
E questo è tutto, ora puoi calcolare il valore della resistenza necessaria per pilotare qualsiasi LED. Prova a risolvere un altro problema usando V=IR dove il LED ha una tensione diretta di 2.2V, una corrente diretta di 18mA, e l’alimentazione è a 12V, e pubblica le tue risposte nei commenti qui sotto!
Controllo della luminosità
Se vuoi regolare la luminosità di un LED, puoi aumentare la resistenza limitatrice di corrente per ridurre la corrente al LED e ridurre la luminosità, tuttavia, assicurati di non andare sotto il valore calcolato della resistenza. Questo va bene per fissare permanentemente la luminosità, tuttavia, a differenza delle lampadine a incandescenza (globi di luce in stile tradizionale che utilizzano un filamento a trefoli) non è possibile regolare la luminosità semplicemente cambiando la tensione al LED. Otterrete una strana risposta e non sarà un bel cambiamento uniforme. Invece, per controllare la luminosità di un LED si usa il PWM.
PWM è discusso più approfonditamente nei nostri altri tutorial, tuttavia, il concetto è abbastanza semplice. Si accende e si spegne il LED più velocemente di quanto l’occhio umano possa percepire come singoli flash, e il rapporto di tempo on/off in una certa frequenza viene percepito dall’occhio umano come un aumento/diminuzione della luminosità. Per informazioni più dettagliate su come funziona il PWM, guardate questo tutorial sul DAC per Raspberry Pi.
Usare LED multipli: Serie vs. Parallelo
Quindi usare un LED va bene, ma cosa succede se vogliamo collegare più di un LED all’alimentazione e farli accendere tutti? Si potrebbe pensare che potremmo semplicemente collegare l’uno dopo l’altro con una resistenza alla fine, questo è noto come il collegamento in serie. Tuttavia, se lo facessimo, ogni LED ha una caduta di tensione, il che significa che ogni LED consecutivo ha sempre meno tensione disponibile, il che significa che i LED diventeranno sempre più fiochi man mano che si scende nel circuito. Quello che dobbiamo fare è collegarli in parallelo come mostrato:
In questo modo, ogni LED è nel proprio circuito, e nessun LED riceve più energia di un altro. Ma attenzione, diciamo che avete bisogno di una resistenza da 360 Ohm per un singolo LED, come mostrato sopra, non potete usare una singola resistenza da 360 Ohm per tutti i LED perché quel valore è progettato per limitare la corrente a soli 20mA, ma se avete più LED collegati in parallelo, l’assorbimento di corrente per loro si somma, quindi abbiamo bisogno di ricalcolare per un assorbimento di corrente di tutti i LED insieme.
RGB e LED digitali
Per quanto sia eccitante un LED a singolo colore, un grande vantaggio dei LED è che, grazie alle loro piccole dimensioni, è possibile combinare più LED in un unico pacchetto per creare un LED RGB (Red Blue Green) che crea colori attraverso lo spettro visibile grazie alla luce additiva. Usare questi LED è semplice, hanno un cavo comune (il catodo o l’anodo) e un cavo separato per ogni colore che puoi usare per controllare ogni canale di colore in modo indipendente. Questi sono fantastici, ma immagina di usarne molti e la quantità di pin che ci vorrebbe per controllarli. Negli ultimi anni abbiamo visto lo sviluppo di LED indirizzabili digitalmente che impacchettano un LED RGB più un minuscolo chip di controllo in un pacchetto standard e ti permette di controllare enormi strisce di essi con un singolo pin del microcontrollore! Per maggiori informazioni su questi tipi di LED, controlla il nostro tutorial NeoPixels con Particle.