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La "resistenza" di un LED

Indice

Premessa

Questo articolo vorrebbe essere una risposta agli interrogativi posti da chi, con limitate conoscenze di elettronica, si avventura per la prima volta nell'uso dei LED.

In realtà già diversi articoli sono disponibili in ElectroYou, cito ad es l'articolo di mir, ma constato che per molti interessati all'argomento rimangono ancora dubbi da chiarire.

Tutti ad es. sanno che il LED è un "diodo luminoso" (Light Emitting Diode), ma non tutti hanno ben compreso cosa questo comporti circuitalmente, salvo la caratteristica di condurre la corrente elettrica "in un solo verso".

Così rimangono aperte le solite domande "a che tensione alimentare un LED ?" oppure "qual'è la resistenza di un LED ?" oppure "perché si deve mettere una resistenza in serie al LED ?".


La "caratteristica" di un diodo

La risposta a queste domande è la conoscenza di quella che normalmente viene definita "caratteristica" del diodo, cioè l'andamento del rapporto fra tensione applicata e corrente che circola nel diodo stesso.


Una pur minima conoscenza delle leggi fondamentali dell'elettrotecnica fa (erroneamente) ritenere che tale rapporto sia sempre costante: la famosa "legge di Ohm" dice che il rapporto fra tensione e corrente è dato dal valore della resistenza a cui la tensione è applicata ( \frac {V}{I} = R ) ed in elettrotecnica si "assume" che il valore di R sia costante (anche se a rigore non è propio così , ad es. per l'influenza della temperatura su questo valore).

Esprimendo questo in un grafico, possiamo vedere meglio il significato di questa proporzionalità

Se ad una resistenza da 100ohm applichiamo la tensione di 1V, otteniamo una corrente di 10mA, se applichiamo 2V otteniamo 20mA, e così via.

Il principio di proporzionalità ("raddoppiando la causa , raddoppia l'effetto") non può però essere applicato a qualsiasi componente e l'elettronica si differenzia dall'elettrotecnica proprio per l'uso di componenti a comportamento non proporzionale (spesso impropriamente definito non-lineare).

Tipico, a questo proposito il comportamento del diodo.

Stando alla definizione citata prima ("conduce in un solo verso"), un diodo "ideale" dovrebbe avere resistenza infinita per tensioni negative e resistenza zero per quelle positive, quindi la sua "caratteristica" dovrebbe essere come quella indicata in figura.

Nella realtà, se la si misura sperimentalmente, si ottiene un andamento come illustrato nel grafico di destra: composto tipicamente da una "soglia" (normalmente ca. 0.6V) sotto la quale pur con tensione positiva, la resistenza rimane altissima (corrente praticamente nulla), e da una rapidissima crescita della corrente oltre quella soglia (cioè resistenza molto bassa).

Come si può allora calcolare la corrente in un circuito che contiene un diodo? Nella pratica si ricorre ad un modello semplificato:

Come si vede, secondo l'approssimazione voluta, si ricorre ad un modello con diodo ideale più un generatore di tensione in senso inverso che tenga conto della cdt (tipicamente 0.7V) oppure ad un modello che aggiunge anche una resistenza Rd che tenga anche conto della variazione dovuta al passaggio di corrente.

Ed ecco i rispettivi circuiti, con relativo calcolo della corrente (i diodi qui indicati sono "ideali" ed indicano solo il blocco delle correnti inverse):

Sia però chiaro che entrambi i modelli sono approssimazioni (anche se più che sufficienti nella pratica) e che i valori qui dati sono solo indicativi (andrebbero sostituiti con valori più aderenti all'effettivo diodo che si utilizza).

Il LED

Il grande sviluppo di questo componente che da semplice segnalatore sta ora rivoluzionando il mondo dell'ìilluminazione, ha reso popolare il suo impiego, spesso però in modo errato.

Quanto infatti è stato detto per il diodo è, per così dire, esaltato nei LED, di cui ora vengono prodotte infinite versioni, di caratteristiche molto diverse tra loro: oltre al tradizionale diodo rosso (tipico da 20mA e ca 1,8V di cdt) hanno ora grande diffusione quelli ad "alta luminosità" (tipico da 20mA e ca. 3.4V di cdt), con caratteristiche come in figura:

Ma attenzione, le caratteristiche variano col colore oltrechè con la potenza, ed oggi sono in commercio diodi da 3-5W, con correnti che arrivano ad 1A. Purtroppo i venditori non si preoccupano di specificare tali parametri (mettendo in risalto solo la potenza luminosa), quindi spesso per l'utilizzo pratico di questi componenti è necessario un rilievo sperimentale della loro "curva caratteristica".

Tale rilievo è fattibile con semplici mezzi: un alimentatore in corrente continua (Va), una resistenza (R), un potenziometro (Pot) ed un tester (lo stesso può essere usato in successione per le 2 misure):


Ovviamente : \quad I_{led}= \frac {V1}{R} \quad , e : \quad cdt_{led} = V2.

Variando opportunamente Pot, si varia la corrente e si rileva la cdt corrispondente.

L'alimentazione del LED

Dovrebbe essere a questo punto chiaro che il LED richiede un'alimentazione particolare: il meglio è ovviamente una corrente continua costante (vicina al suo valore "nominale").

Rimando per questo agli articoli di ElectroYou di ginfizz (che propone un controllo di corrente con 2 transistori) e di posta10100 (che usa un regolatore di corrente LM317).


Non è infatti possibile alimentare "in tensione" un LED se non si provvede almeno a limitarne la corrente mediante un'adatta resistenza.


Il calcolo di questa è riconducibile a quanto visto per il diodo: se Va è la massima tensione di alimentazione ed Iled la corrente nominale , la resistenza da mettere in serie al diodo è :  R = \frac {Va- cdt_{led}}{I_{led}}

(ovviamente se i LED in serie alla resistenza sono più d'uno, la caduta di tensione nominale cdtled , deve essere moltiplicata per il loro numero).


Si è evidenziato che occorre in questo calcolo considerare il valore "massimo" di Va, cosa spesso (e magari inconsciamente) trascurata da gran parte degli utilizzatori.

Esaminando i molti interventi nel Forum sull'argomento, si ha la prova che molti sottovalutano (o addirittura ignorano) le conseguenze derivanti dal comportamento non-proporzionale del LED.

Conseguenze che possono essere devastanti (nel vero significato della parola!)


Esempio tipico è l'alimentazione mediante un trasformatore con relativo ponte raddrizzatore: molti confondono il valore "efficace" dell'alternata al secondario con la tensione applicata ai LED (di solito messi in serie).

Se non opportunamente regolata e filtrata, l'effetto sul LED della tensione "continua" così ottenuta, può essere illustrato osservando questa figura:

Dove la traccia blu è la tensione raddrizzata applicata e quella rossa la corrente che circola nel LED.

La cosa ingannevole è che se si misura questa corrente con uno strumento che ne fa la media, si ottiene una misura all'apparenza corretta (cioè magari entro i limiti della corrente "nominale"): purtroppo non è la stessa cosa per il LED. in quanto le "perdite" aumentano col quadrato dei valori istantanei della corrente!

(Qualcuno a questo punto potrà obiettare che un funzionamento impulsivo è previsto nei datasheets. E' vero, ma bisogna esserne coscienti e tenerne debitamente conto)

Paradossalmente per il LED sarebbe meglio una tensione di alimentazione molto più elevata purchè sia prevista un'adeguata resistenza limitatrice della corrente (osservo che un generatore con forte resistenza si comporta da generatore di corrente).

In questo modo gran parte dell'energia va perduta (nella resistenza), ma si riducono i picchi ed aumenta il tempo di conduzione.

Per tali motivi un LED può anche essere alimentato direttamente dalla rete alternata (vedi articolo di mir) realizzando un'alta impedenza mediante condensatore (che evita la dissipazione).

Consiglierei tuttavia in questo caso l'utilizzazione di un ponte raddrizzatore, anziché del solo diodo in antiparallelo al LED, in modo da utilizzare entrambe le semionde del periodo e forzare meno il LED stesso.


Penso in conclusione che molte lamentele sulla "vita" dei LED (alcuni hanno parlato di dati ingannevoli sulla loro durata, forniti dai costruttori) possano in parte essere ricondotte ad una loro utilizzazione troppo superficiale, che non tiene conto delle considerazioni qui esposte.

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Commenti e note

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di ,

Capito tutto grazie 1000, mi hai tolto una gran curiosità :)

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di ,

(risposta a marco_ok) Il "modello" comunemente utilizzato per i LED nei programmi di simulazione, prevede: cdt e corrente nominali, resistenza e capacita' della giunzione (per un LED tradizionale rosso, tali dati sono per es.:1.7,0.015,0.5,20p). 20pF e' allora il valore con cui puo' essere valutata la parte immaginaria dell'impedenza.

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di ,

Io avrei una piccola domanda, perchè il mio corso di elettrotecnica e in fisica 2 non abbiamo affrontato i diodi e quindi seppur li abbia utilizzati in svariatissime applicazioni rimango ancora perplesso di una cosa(che per voi sarà banale): suppongo che il diodo essendo un elemento circuitale possa essere inserito nelle equazioni di Kirkoff delle cadute di tensione, in tale occasione l'impedenza di un diodo da cosa è rappresentata? Da una parte(reale) solo ed esclusivamente resistiva o anche da una reattanza(immaginaria)? Grazie :)

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di ,

Articolo bello ed interessante, come il piccolo e colorato componente che ne è il protagonista. Grazie g.scghor per l'esemplare utilizzo che fai di questo nuovo social network:ElectroYou

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