Una tecnologia con un futuro “brillante”

Il Led è un dispositivo optoelettronico a semiconduttore che produce emissione di fotoni sotto determinate condizioni di condizionamento elettrico. Il principio di base è quello del diodo a giunzione in cui, alla condizione di passaggio di corrente attraverso la giunzione (P-N) corrisponde una produzione di fotoni che, data la natura sottile del materiale semiconduttore, ne comporta l’uscita verso l’esterno sotto forma di emissione luminosa. Il colore della luce emessa (lunghezza d’onda) dipende dalla natura del materiale semiconduttore impiegato nella realizzazione del Led. Il Led non è una innovazione tecnologica recente in quanto il suo primo sviluppo risale agli anni ’60 da parte di Holonyak Jr. La vera innovazione relativa ai Led sta nella diversificazione funzionale, nelle prestazioni e soprattutto nelle dimensioni e nei consumi ridotti. Grazie a queste caratteristiche i Led sono una tecnologia optoelettronica abilitante di numerose applicazioni innovative, tra cui, oltre l’importante settore dell’illuminazione, le interfacce di comunicazione, le interfacce uomo–macchina, i sistemi di misurazione ottica dei parametri fisiologici nei sistemi biomedicali consumer, ecc. Il Led oltre ad essere un attuatore elettro-ottico è anche un sensore ottico-elettrico. Ciò significa che lo stesso dispositivo Led può essere utilizzato sia come emettitore di luce, sia come sensore di luce, consentendo, per esempio, di gestire in maniera completa e automatica il processo di illuminazione degli ambienti. Il sensore Led sta diventando infatti sempre più importante nelle applicazioni, soprattutto quelle di comunicazione e di interfaccia, tanto che diversi produttori di semiconduttori stanno sviluppando sensori Led ad elevata efficienza e specializzati nella rilevazione di specifiche emissioni luminose, per esempio quelle ultravioletto. Fondamentalmente, dal punto di vista strettamente del circuito elettronico, il Led richiede solo una resistenza che limita la corrente in uscita dal catodo in modo che correnti elevate non possano danneggiare il dispositivo Led. Il funzionamento di base del Led richiede un banale circuito elettronico di controllo (una resistenza collegata al catodo). Il circuito di controllo banale se il Led deve essere utilizzato in maniera efficiente e versatile. A tale scopo sono disponibili i cosiddetti Led driver, dei dispositivi elettronici che regolano la potenza di uno o più Led (array) in modo da regolare in maniera ottimale la potenza fornita in funzione delle variazioni dei parametri del Led in funzione delle variazioni di temperatura. Senza i driver, i Led non sono regolati in maniera efficace e possono diventare troppo caldi e andare fuori controllo elettrico, comportando perdita di efficienza o, nel caso peggiore, un guasto. Scegliere un tipo di Led e il conseguente tipo di Driver è abbastanza complesso in quanto è l’intersezione di numerosi requisiti applicativi, come per esempio la quantità (singolo o multiplo), il tipo di alimentazione che sarà utilizzata (batteria portatile (dispositivi palmari o indossabili), batteria fissa (automotive), alimentazione fissa, ecc.), le caratteristiche funzionali, le caratteristiche di embedding (dimensione, costo, consumo di potenza elettrica, ecc.). In particolare è la scelta del tipo di Led che diventa importante perché l’applicazione possa essere effettiva. Questa scelta attiene alla natura di emissione di luce del Led (lunghezza d’onda o colore) e, nella molteplicità dell’offerta di Led, sicuramente restringe il campo di scelta. A restringere il campo di scelta contribuisce anche il fattore potenza in gioco, per esempio, relativamente al controllo, in applicazioni ad elevata tensione, ove le potenze elettriche e quelle termiche in gioco possono essere elevate, l’impego array di led di piccole dimensioni è una soluzione ottimale rispetto a quella dell’utilizzo di un singolo Led di grosse dimensioni. I campi applicativi dei Led sono svariati. Quello dell’illuminazione è indubbiamente predominante, considerando che i costi dell’elettronica necessaria, inclusi i driver, sono considerevolmente diminuiti e il livello di embedding contemporaneamente si è elevato. L’efficienza energetica è stata una delle principali motivazioni che ha incentivato i produttori di Led a investire in questa tecnologia producendo dispositivi sempre più efficienti ed economici. Un altro importante campo applicativo dei Led è quello dei trasporti, con l’automotive in forte espansione e i trasporti collettivi (aerei, treni, autobus, ecc.) che stanno convertendo i sistemi di illuminazione in accordo con i requisiti di risparmio energetico cui tali sistemi sono soggetti. Oltre all’illuminazione, i Led rappresentano un’alternativa vantaggiosa nei sistemi di visualizzazione e di interfaccia uomo-macchina, soprattutto se utilizzati in combinazione con i sensori di luminosità. Grazie alla combinazione di Led e sensore ottico, è possibile realizzare sistemi di interfaccia touchless e di comunicazione wireless a bassissimo consumo, non soggetti a interferenze elettromagnetiche e a loro volta non interferenti con le apparecchiature elettroniche.

 

Led a luce bianca

Una delle principali innovazioni nella tecnologia Led è la produzione di luce bianca. Questa può essere ottenuta in due modi differenti: con Led di colori differenti (per esempio Rgb) che combinati insieme e opportunamente controllati in intensità di emissione della luce bianca consentono di ottenere luce bianca a varie temperature di colore; con Led blue Indium-Gallium-Nitride (InGaN) con rivestimento di fosforo. Philips Lumileds ha realizzato la serie Luxeon di Led, in particolare la serie Luxeon CoB con tecnologia CrispWhite, consente di ottenere i colori caldi saturati e di creare in tal modo un colore bianco vivo particolarmente richiesto per illuminare per esempio la merce nelle vetrine. Il fosforo rosso nei Led standard e la non attivazione dei picchi profondi di blu non sono attivati e quindi comporta un effetto ingiallente del bianco. Ciò non avviene nel caso dei Led Luxeon CoB con tecnologia CrispWhite che ha una resa di bianco simile a quella della luce diurna. Le caratteristiche della serie Luxeon CoB sono le seguenti: efficacia > 130 lm/W, 35.5 V; lumen package da 500 a oltre 10000 lm; limite di temperatura verificato 85°C; MCPCB robusto. Un’altra famiglia Led a luce bianca di Philips Lumileds è Luxeon Rebel White. Si tratta anche in questo caso di Led per l’emissione di luce bianca con elevate caratteristiche di naturalezza e con caratteristiche di embedding molto spinte come l’elevata compattezza, il montaggio superficiale, l’elevata potenza. Ognuno di questi dispositivi integra un chip Led ad elevata luminosità su un substrato ceramico. Il substrato ceramico fornisce il supporto meccanico e allo stesso tempo connette il chip del Led a un heat pad alla base del substrato. Una lente di silicone sovrasta il chip del Led per estrarre la luce da questo generata. I Led InGaN della famiglia Luxeon integrano un soppressore di transienti che protegge il chip Led dalle scariche elettrostatiche. I Led ad alta luminosità rappresentano una delle principali innovazioni di questi dispositivi di illuminazione che hanno aperto nuove aree applicative come la retroilluminazione dei display, i sistemi di illuminazione delle automobili e le funzioni di illuminazione dei dispositivi consumer come le fotocamere o i proiettori compatti. I vantaggi degli HBLed sono molteplici, oltre la maggiore luminosità, una maggiore durata, un minor costo e la compatibilità con i processi che non usano il piombo. Uno dei materiali innovativi sono i siliconi, grazie a cui sono stati risolti problemi critici come la protezione dai fattori elettrici e ambientali, una maggiore estrazione della luce e la riduzione del calore. Inoltre tali materiali consentono di costruire lenti adattabili alle varie esigenze di orientamento del fascio luminoso e di controllo dell’intensità. Applicando una capsula siliconica al chip Led viene ottenuta un maggiore consonanza con l’indice di rifrazione della superficie del chip Led. Dow Corning è un produttore di incapsulanti ottici (per esempio 3-6370M) progettati appositamente per i Led, completamente privi di colore e basati su elastomeri al silicone.

 

Controllare i Led

Il controllo dei Led è una funzionalità fondamentale per l’utilizzo dei led in configurazioni singole o multiple (array). Una funzione di base è quella di convertire la potenza elettrica alternata in potenza elettrica continua e di regolare il flusso della corrente attraverso i Led. Implicitamente il driver protegge il Led dalle fluttuazioni della tensione di linea. Oltre a queste funzionalità di natura strettamente elettrica, il driver svolge anche funzioni di controllo che sono più direttamente legate all’applicazione, come il controllo della luminosità e del colore. I driver sono dei sistemi di controllo dei Led e quindi, come tali in grado di adattare il Led a tutte le necessità applicative attuali ed emergenti. Il controllo della luminosità da 0 al 100% per esempio, consente di soddisfare qualsiasi esigenza applicativa in cui il controllo della luminosità è un fattore funzionale fondamentale di un’applicazione. Il controllo digitale nei driver, per esempio il Pwm (Pulse width modulation), consente di ottenere un livello di controllo molto efficace e fine se il Pwm è ad alta risoluzione e senza manifestare gli effetti della modulazione (flicker). Il controllo digitale, soprattutto se programmabile, è particolarmente efficace per il controllo del colore, soprattutto del bianco ottenuto tramite array di Led. Maxim Integrated dispone di un’ampia famiglia di driver per Led ad alta luminosità. Si tratta di circuiti integrati finalizzati al controllo efficiente di array di Led ad alta luminosità. I Led ad alta luminosità hanno un ampio spettro applicativo, dalle applicazioni di carattere generale a quelle dell’automotive, a quelle dei sistemi di visualizzazione (display backlighting), ai sistemi di proiezione e ai sistemi fotocamera (flash). Un altro caso applicativo emblematico dei Led è la retroilluminazione dei display. L’utilizzo dei Led offre il vantaggio del basso consumo di potenza e un minor costo dell’elettronica di controllo. Freescale Semiconductor offre una famiglia completa di Led driver per display da 10” in su, dotati da 6 a 10 canali per dispositivo e che incorporano tra le altre funzioni innovative, un PWM ad alta frequenza che consente di ottenere alte prestazioni dal Led senza soffrire degli artefatti.

 

Sensori di luminosità

I sensori ottici, stanno assumendo un ruolo importante nelle applicazioni in cui i Led emettitori vengono utilizzati come sorgenti di luminosità che i sensori ottici riescono a misurare. Svariate sono le applicazioni innovative che la combinazione Led – sensore ottico permettono di implementare, come per esempio le interfacce ottiche gestuali no-touch oppure i sistemi di misura dei parametri fisiologici come l’ossimetria e la frequenza cardiaca nei dispositivi biomedicali professionali e consumer. Silicon Labs ha recentemente introdotto una famiglia di sensori ottici Si114x, Si1132, Si1120 e Si1102 che oltre a misurare la luce ambiente e l’indice di UV (Ultravioletto), consentono anche di eseguire misure di prossimità a lungo raggio, misure di parametri fisiologici come la frequenza cardiaca e l’ossimetria e le misure di movimenti gesturali sia in due (2D) che in tre (3D) dimensioni. Nel caso del Si114x, si tratta di fotodiodi integrati in un system-on-chip che comprende anche la parte di conversione analogico-digitale e un sottosistema di elaborazione digitale del segnale (signal processor). Questo consente l’applicazione di un segnale ottico sotto forma digitale e immune da rumore tipico della luce artificiale o di quello della fluttuazione di quella naturale. Il Si114x integra sullo stesso chip il sensore di luminosità ambiente e un fotodiodo infrarosso. Inoltre, sempre sullo stesso chip è integrata l’interfaccia di comunicazione digitale I2C e i driver per il controllo di tre led esterni. Le dimensioni di solo 2 x 2 mm del Si114x, considerando che integra numerosi sottosistemi funzionali, tra cui anche il driver dei led esterni, sono impressionanti. Il livello di integrazione in questi dispositivi è un fattore importante per abilitare applicazioni innovative in settori emergenti come quello di Internet of Things oppure quello del wearable. Un altro esempio di elevata integrazione è quello che Maxim ha realizzato con il dispositivo MAX30100, un application-oriented optical sensor chip per applicazioni di ossimetria e misurazione della frequenza cardiaca. In questo caso oltre al sensore ottico (con ottica ottimizzata) e a due Led, sul chip sono integrate anche le funzionalità applicative, come il sottosistema di elaborazione analogica del segnale finalizzato alla misura del segnale ossimetrico e di frequenza cardiaca. Il chip integra anche un sistema di cancellazione della luce ambiente.

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