Come funzionano i led, la fonte di luce più economica e resistente in commercio

Miniaturizzabili, leggeri, resistenti e potenti: dallo schermo dei nostri telefoni all'illuminazione delle strade, i LED (Light Emitting Diode) hanno ormai spodestato ogni altra fonte luminosa, fornendo illuminazione intensa e colori vividi con bassi consumi.

L'interesse verso questa tecnologia è tale che persino le istituzioni, come l'Unione Europea, hanno deciso di favorirne la diffusione, vietando la vendita delle vecchie lampadine a incandescenza già nel 2012 e seguendo la stessa strada per le lampade alogene, parzialmente bandite a partire dal 2018.

Da cosa derivano queste virtù dei LED e per quale motivo la loro diffusione è cominciata solo a partire dagli anni 2000?

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Le origini dei LED

L'illuminazione elettrica nasce nei primi anni del 1800 ma prende piede solamente nel 1879, con l'entrata in commercio delle lampadine a incandescenza di Thomas Edison. Nei primi del 1900 nuove fonti luminose, come le lampade al neon o a fluorescenza, hanno portato una alternativa più efficiente, a risparmio energetico e a vita prolungata alle tradizionali lampadine, ma non sono mai riuscite a soppiantarle per via di difetti come l'emissione luminosa (misurata in lumen) ridotta e luce più "artificiale" all'occhio umano.

Sempre a inizio del ventesimo secolo, l'ingegnere inglese Henry Joseph Round scoprì l'elettroluminescenza dei diodi allo stato solido, ossia la capacità di alcuni materiali di emettere luce se sottoposti ad una corrente elettrica. I LED sono particolari diodi sviluppati per sfruttare questo fenomeno e nascono nel 1961 con l'introduzione dei led a infrarossi, ancora oggi diffusi in telecomandi o fotocellule.

Già l'anno seguente, Nick Holonyak Jr. inventò il primo led rosso, in grado quindi di emettere luce visibile ad occhio nudo. Gli studi su questi diodi e sulle eventuali applicazioni (ad esempio nei laser) si concentrarono sui materiali utilizzati per poter ottenere diversi colori o sfumature, lavorando con pù fonti alla volta.

Tra i principali protagonisti di questi studi, l'ingegnere americano M. George Craford (ex allievo di Holonyak all'Università dell'Illinois) nel 1972 riuscì a creare i primi led gialli commercialmente distribuiti dalla compagnia per cui lavorava, la Monsanto. Crafrord dedicò l'intera carriera al mondo dei led: è anche grazie ai sui studi che dobbiamo la prima grande diffusione di queste fonti luminose, usata ad esempio nei semafori e segnalazioni luminose stradali.

L'ultima decisiva svolta arrivò nel 1994 ad opera dell'ingegnere giapponese Shuji Nakamura ed ai suoi studi sui led blu ad alta intensità: migliorando la fonte luminosa e sfruttandola per innescare la fosforescenza di sostanze depositate sul diodo, sono state create finalmente lampadine led adeguate all'illuminazione degli edifici, riducendo spesso di 7 o 10 volte l'energia necessaria.

Il funzionamento del LED

Ma come è fatto un LED? Sin dalla loro nascita, questi dispositivi hanno alla base l'uso di semiconduttori, ossia materiali (come il Silicio o l'Arsenurio di Gallio) che normalmente non sono buoni conduttori di corrente ma possono comunque diventarlo grazie a fonti di energia esterne come calore o luce.

Ciò che rende un materiale un conduttore è la caratteristica di avere elettroni "liberi", in grado di spostarsi lungo il materiale seguendo una differenza di potenziale (più semplicemente indicata come d.d.p.). Gli elettroni posseduti da ogni atomo hanno infatti diverse energie, più alte man mano che si allontanano dal nucleo: quando uno di questi ha una energia abbastanza alta da raggiungere la banda di conduzione, diventa libero circolare e non più vincolato al suo atomo.

Nei metalli, anche senza intervento esterno gli elettroni della banda di valenza possono passare alla banda di conduzione perché queste queste sono sovrapponibili. Viceversa, un isolante ha salti energetici importanti, per cui non conduce elettricità in condizioni normali.

Nel caso dei semiconduttori, il salto energetico è basso. L'energia richiesta per il salto dipende dal materiale usato, ma anche dal drogaggio, ossia l'introduzione di elementi come fosforo o boro nella struttura cristallina del materiale: questo causa una abbondanza di cariche negative (n) o positive (p) nel materiale "drogato".

Ponendo due semiconduttori a contatto le cariche negative e positive si accumulano alla giunzione: gli elettroni nella banda di conduzione passano dal materiale più ricco di elettroni (n) a quello a carica positiva (p) e qui decadono alla banda di valenza, cedendo l'energia in eccesso sotto forma di luce.

Questo processo è molto più efficiente di quello delle lampadine a incandescenza, perché riduce fortemente le perdite in calore o raggi infrarossi invisibili a occhio nudo: se una tradizionale lampadina l'energia trasformata in luce è al massimo del 5%, nel caso dei LED l'efficienza è tipicamente del 15% o maggiore, sempre a partire da consumi già più bassi.

Le perdite sottoforma di calore sono comunque alte: questo fa si che per i LED a maggior potenza (come quelli dei fari per auto o moto, che possono consumare decine di W) siano necessari accorgimenti per dissiparlo, solitamente con alette metalliche o ventole per forzare il raffreddamento. Una scarsa dissipazione porta alla riduzione dell'emissione luminosa e a guasti, ed è la prima causa di guasto nelle lampadine più economiche, vista la semplicità e robustezza dei LED.

Il risparmio energetico dei LED

I caratteristici bassi consumi sono la caratteristica che più di tutte ha interessato le istituzioni, interessate al risparmio energetico per motivi ambientali ma anche infrastrutturali: è questo il motivo che ha portato la UE al bando delle lampadine a incandescenza.

A fronte di un prezzo maggiore, ma in costante calo, una lampada LED consuma fino al 60% in meno di una lampada a fluorescenza e fino al 95% in meno delle lampade a incandescenza: un risparmio sicuramente importante per noi consumatori, ma ancora più pesante per i Comuni, per cui l'illuminazione stradale può essere responsabile fino al 25% dei consumi energetici.

In un mondo di crisi energetiche e sprechi, i LED rappresentano ormai un prezioso alleato per ridurre le emissioni di gas serra ed i consumi elettrici, aiutandoci ad avvicinarci agli obiettivi di Kyoto e rafforzando gli sforzi compiuti contro il cambiamento climatico.