I diodi a emissione di luce sono una delle tecnologie a più rapido sviluppo nello scenario dei semiconduttori e dell’elettronica in generale, sia per l’eccezionale riduzione dei consumi energetici, sia per la notevole versatilità applicativa che va oltre il principale campo applicativo (l’illuminazione) e che interessa altri ambiti come il medicale, l’automotive, l’industriale e il personal consumer. I light emitting diode sono componenti che fino a qualche anno fa erano considerati alla stessa stregua di altri componenti elettronici come i componenti passivi (resistenze, condensatori, induttori, ecc.). I Led erano utilizzati come piccole lampadine allo stato solido alternative a quelle tradizionali a filamento da poter essere facilmente integrate su schede o pannelli di sistema. A parte i primi anni in cui i display a Led (sette segmenti) o simili dimostravano una potenziale versatilità, da cinquant’anni fa a una decina di anni fa poco si è visto dell’effettiva potenzialità di questo componente optoelettronico. La prospettiva è cambiata in maniera dirompente negli ultimi anni, quando la tecnologia di produzione di questi componenti si è molto raffinata e soprattutto è diventato evidente il vantaggio che il Led ha in termini di risparmio energetico su tutti gli altri sistemi di illuminazione. Nel campo dell’illuminazione, il basso consumo dei Led è risultato eccezionale, anche se il costo del dispositivo, a parità di resa luminoso (Lumen) risultava molto elevato. Ma questo fattore, soprattutto grazie al fatto che si trattava di un processo microelettronico, è venuto rapidamente a essere meno importante, rendendo i Led una vantaggiosa alternativa all’illuminazione tradizionale, malgrado il piccolo maggior costo iniziale. Anche se allo stato attuale dello sviluppo dei Led (attualmente intorno ai 100 Lumen/Watt), altre fonti di illuminazione, per esempio i dispositivi fluorescenti e quelli alogeni hanno efficienze rispettivamente simili (75 Lumen/Watt) e superiori (115 Lumen/Watt), la potenzialità dei Led comunque non sta solo nell’elevata capacità di risparmio energetico ma anche nella versatilità applicativa. I Led possono produrre luce, non solo bianca, ma in maniera controllata, relativamente alle frequenze d’onda e alla intensità. È possibile ottenere luce monocromatica in maniera più semplice ed economica rispetto ad altri dispositivi di illuminazione o comunque una qualità della luce compatibile con la natura recettiva dell’irraggiamento luminoso degli esseri umani e degli esseri viventi in generale (animali e vegetali). Quindi, applicazioni come la dotazione flash delle macchine fotografiche e degli smartphone per esempio sono non solo fattibili, ma migliorative rispetto a quelle basate su sistemi di illuminazione tradizionali. Altre applicazioni di grandi volumi riguardano l’acquisizione e monitoraggio non invasivo di parametri fisiologici vitali (frequenza cardiaca e ossigenazione del sangue) o il food lighting. Per esempio nelle applicazioni per il monitoraggio dei segni vitali, le dimensioni e la capacità dei Led di produrre luce monocromatia a specifiche frequenze è una peculiarità offerta in maniera effettiva solo dai Led. Nelle applicazioni del “food lighting” il vantaggio viene dalla maggiore resa cromatica e dallo spettro dedicato. Inoltre, i Led, pur dissipando calore, non lo irradiano. Quindi, applicazioni sensibili al calore, per esempio quelle proprio del food lighting, risultano particolarmente efficaci e più economiche, non necessitando di schermi di calore.
I Led Driver
I Led comunque non sono semplicemente il die di silicio con cui il diodo ad emissione di luce viene realizzato. Un Led per essere utilmente applicato necessita di altri componenti come la parte ottica, la parte di gestione del calore, l’incapsulamento e soprattutto il driver. Quest’ultimo, è un componente fondamentale dei Led in quanto consente a questi di essere utilizzati alla loro massima efficienza. Inoltre, trattandosi di un circuito integrato, insieme al die del Led, il driver rappresenta una componente di innovazione che estende ulteriormente di potenzialità applicativa della tecnologia Led.
I Led driver sono fondamentalmente degli alimentatori che forniscono corrente ai Led in maniera adeguata al loro funzionamento, ma questa funzionalità può essere controllata in maniera più o meno avanzata attraverso dispositivi dotati di funzionalità di natura logica. Per esempio, il Led driver SSL2101 di NXP è un Multi-Chip Module che contiene sia la parte di conversione di potenza, sia quella che permette di ottenere la funzionalità dimmer. Una novità relativamente ai Led driver sono gli Ac Led Driver, cioè dei driver che consentono di alimentare direttamente i Led dalla corrente alternata. come la nuova serie Acrich2 High Voltage Led di Seoul Semiconductor. Questi Led operano direttamente dalla tensione di linea Ac e nella seconda generazione risultano molto più efficaci avendo superato problematiche come il flickering, l’elevata distorsione armonica totale e la bassa efficacia. Gli Acrich2 utilizzano una tecnologia di switching a banchi combinata con una nuova tipologia di Led ad alto voltaggio.
Un’altra soluzione di natura Ac viene da Texas Instruments. Il TPS92411 è uno switch 100-V floating Mosfet che viene utilizzato nelle applicazioni offline Led lighting. Questo dispositivo viene utilizzato insieme a un regolatore di corrente che consente di ottenere un fattore di potenza maggiore di 0.9 per creare un driver Led con basso ripple di corrente.
Moltiplicare la corrente per unità di area dei Led
Un significativo progresso tecnologico nei Led di nuova generazione sta nel controllo della corrente fornita al Led. Maggiore corrente significa maggiore luminosità a parità di superficie del Led. Soraa è riuscita, con la tecnologia GaN-on-GaN di integrazione dei GaN su substrato GaN, ad ottenere Led cui fornire una corrente 10 volte maggiore per unità di area, che ha portato a Led capaci di produrre 10 volte la quantità di luce senza essere soggetta allo stress termico dei Led di precedente generazione. La tecnologia GaN on GaN ha consentito a Soraa di realizzare Led che emettono la luce violetto dove i Led tradizionali emettono la luce blu, consentendo la riproduzione dei colori dello spettro con grande accuratezza. La peculiarità sta nel rendere ogni colore dello spettro visibile, iniziando dal violetto e terminando al rosso, quindi essere compatibile con la luce naturale. Dato che la fisiologia della percezione umana dipende dall’interazione con i colori, e dato che la visione dei colori inizia con il violetto e termina con il rosso, è necessario che lo spettro dei colori sia perfettamente equilibrato su ogni lunghezza d’onda dai 400 nm ai 700 nm. Per ottenere questo risultato Soraa usa un mix multifosforo che consente, partendo da Led che emettono la luce violetto a frequenza di picco tra 410 e 420 nm (non blu come invece avviene per i led tradizionali), di coprire l’intera gamma fino a 700 nm, cioè lo spettro naturale della luce.
Illuminazione intelligente
La tecnologia Led si presta ad essere controllata in maniera intelligente proprio grazie alla natura microelettronica che la caratterizza. Un esempio di tale possibilità è la linea di prodotti di illuminazione di Philips che consentono di controllare tramite smartphone o tablet, via WiFi, il sistema di illuminazione ambientale. Il kit Hue consiste di bulbi e un router che utilizza una rete wireless con protocollo ZigBee.
