Caratteristiche elettriche ed ottiche dei LED

Prima di vedere quali LED usare, vediamo brevemente le caratteristiche tecniche che descrivono i LED.

Nella descrizione delle caratteristiche elettriche ed ottiche dei LED useremo la nomenclatura inglese, poiché è la più utilizzata ed è quella che troviamo nei datasheet (schede tecniche) dei LED, solitamente scritti solo in questa lingua.

È utile precisare che i dati sono solitamente divisi per tipologia, fra cui:

• absolute maximum rating: valore massimo di un certo parametro, da non superare mai, e che probabilmente è bene non si verifichi troppo spesso;
• minimum/typical/maximum value: valore minimo/tipico/massimo di un parametro.

In seguito, sono indicate solo le caratteristiche solitamente rilevanti, l’elenco non è esaustivo.

Forward voltage (tensione di alimentazione)

La tensione di alimentazione è la caduta di tensione che si ha ai capi del LED.
Si misura in volt, simbolo V.

Solitamente, per un chip singolo, varia dai 2.8 V fino ai 3.5 V.

Forward current (corrente di alimentazione)

La corrente di alimentazione è la corrente che passa nel LED. Poiché i LED sono alimentati in corrente, non è un valore univoco, ma dipende dalla potenza che si vuole far sviluppare al chip.
La corrente si misura in ampere, simbolo A; molto spesso, per i LED si usa il sottomultiplo milliampere, simbolo mA: 1 mA equivale a 0.001 A.

I LED più piccoli, per segnalazione, possono consumare pochi milliampere di corrente (circa 5-20 mA), mentre i LED i potenza possono arrivare anche alle migliaia di milliampere di corrente.

Power dissipation (potenza dissipata)

La potenza dissipata è la potenza che sta sviluppando il LED, una volta fissata l’alimentazione (tensione e corrente).
Si misura in watt, simbolo W.

Si ricava facilmente moltiplicando fra loro la tensione e la corrente effettive di alimentazione:

Wavelength (lunghezza d’onda)

Per i LED monocromatici, ovvero che fanno luce di un solo colore (rosso, blu, verde, giallo…) è indicata la lunghezza d’onda dominante, ovvero quella dove è massima l’emissione.
Si misura in nanometri, simbolo nm.

Solitamente è anche riportato un grafico con il disegno dello spettro di emissione. Ad esempio:

Luminous flux (flusso luminoso)

Una volta fissata l’alimentazione (tensione e corrente, quindi anche la potenza), possiamo calcolare il flusso luminoso prodotto dal LED, ovvero quanta luce sta producendo.
Si misura in lumen, simbolo lm.

Solitamente si usa questo parametro per valutare l’efficienza dei LED. A parità di potenza, infatti, un LED che produce più luce è più efficiente.
Un po’ come un’automobile, che con un litro di carburante fa più strada di un’altra.

Giusto per dare qualche numero, alcune rese di tipiche fonti luminose:

• lampadina ad incandescenza: 10-15 lumen/watt
• lampadina alogena: 25 lumen/watt
• lampade fluorescenti (CFL o tubolari): 50-90 lumen/watt
• LED bianchi di modesta qualità, da evitare: 40-90 lumen/watt
• LED bianchi di buona qualità: 110-130 lumen/watt
• LED bianchi di ottima qualità: più di 140 lumen/watt
• Massimo teorico dei LED: circa 300-400 lumen/watt
• Massimo teorico assoluto: 683 lumen/watt (verde a 555 nm)

View angle (angolo di vista)

L’angolo di vista descrive l’ampiezza verso cui il LED emette il grosso della luce, indicata con un angolo.
Ad esempio, i chip hanno spesso un angolo di emissione di 120°: ciò significa che emettono almeno il 50% della potenza luminosa entro questo angolo.

Color rendering index – CRI (indice di resa cromatica)

L’indice di resa cromatica misura quanto una sorgente luminosa riesce ad illuminare gli oggetti restituendo il loro colore naturale.

Se una fonte luminosa ha un CRI molto basso (o negativo), si ha una innaturale resa dei colori.
Un esempio particolare lo possiamo vedere nella foto sotto, dove due auto, una rossa e una nera, sono illuminate da lampioni con lampade ai vapori di sodio a bassa pressione (SOX), che hanno un CRI addirittura negativo: il rosso viene reso come nero!

Per calcolarlo, si misura la resa luminosa della lampada nell’illuminare piastrine di colori standard e si confronta la resa con una sorgente campione, che ha una emissione ideale.
Ogni colore avrà un indice, indicato con R_colore ad esempio R_r (rosso) R_b (blu) e così via.
La media di queste rese viene indicata con R_a (dove a sta per average, media).

Tale valore medio ha un massimo pari a 100: una fonte luminosa con CRI R_a=100 ha pertanto un’ottima resa cromatica, secondo la definizione R_a (ne esistono altre).
Le fonti luminose sono considerate sufficienti per usi generici se hanno un CRI maggiore di 80. CRI maggiori di 90 sono invece considerati necessari per applicazioni in cui la resa dei colori è importante.

I LED bianchi comuni solitamente hanno un CRI variabile da 80 a 90.
Esistono tuttavia LED ad elevato CRI (superiore a 90-95), con costi superiori ma che stanno diventando rapidamente sempre più accessibili, anche sotto forma di strisce, barre e lampadine.

Reverse voltage/current (tensione/corrente inversa)

I LED sono componenti polarizzati, ovvero hanno un dritto e un rovescio e raramente integrano protezioni contro il collegamento inverso.
Alimentarli, quindi, al contrario può danneggiarli o addirittura distruggerli: questi due parametri descrivono quali siano le massime tensioni e correnti che il LED può sopportare quando collegato erroneamente al contrario.

Operating temperature (temperatura di esercizio)

Il funzionamento dei LED dipende dalla temperatura e, per come sono costruiti, una temperatura elevata danneggia i LED – più ad alta temperatura lavorano, minore sarà la loro vita utile e la resa (per ogni 50 °C di aumento di temperatura, un LED può perdere anche il 10-20% di resa).
Se, inoltre, la temperatura raggiunge un valore troppo alto, il LED può rompersi del tutto al momento.

La temperatura operativa indica quindi quale sia la temperatura massima di funzionamento del LED, sopra la quale potrebbero iniziare alcuni problemi.
Solitamente tale temperatura si colloca intorno ai 50-60 °C: è pertanto importante garantire un corretto raffreddamento dei LED, specialmente di quelli di potenza, sia usando soluzioni passive (pasta termoconduttiva, dissipatori) sia soluzioni attive, quali le ventole.