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RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO








Stato dell’arte dei LED (Light Emitting Diodes)


F. Bisegna, F. Gugliermetti, M. Barbalace, L. Monti











































Report RdS/2010/238









Agenzia Nazionale per le Nuove tecnologie,
l’Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile

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TITOLO: STATO DELL’ARTE DEI LED (LIGHT EMITTING DIODES)

Autori: F. Bisegna, F. Gugliermetti, M. Barbalace, L. Monti, (Dip. Fisica Tecnica, Università di

Roma "Sapienza")



Giugno 2010





Report Ricerca di Sistema Elettrico
Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico – ENEA

Area: Usi finali

Tema: Tecnologie per il risparmio energetico nell’illuminazione pubblica



Responsabile Tema: Simonetta Fumagalli, ENEA

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Figura IV.11. Imaging sphere: assonometria dello strumento, schermata di output e schema di funzionamento.



La dipendenza dell’intensità e del colore dalla temperatura di giunzione dei LED è particolarmente

problematica per i prodotti che funzionano in ambienti esterni non controllati, in cui le variazioni

di temperatura possono superare facilmente i 50°C. Alte temperature dell’ambiente comportano

una diminuzione sensibile di intensità e durata di vita dei LED e possono richiedere l’uso di sistemi

di raffreddamento attivo in combinazione con nuovi metodi progettati per diminuire il coefficiente

di temperatura dell’intensità. Ancora più problematica è la stabilizzazione dei LED di-tri-

quadricromatici: mantenere stabile il colore richiede l’aggiustamento dell’intensità dei singoli LED

secondo la temperatura di giunzione, che si può raggiungere impiegando drive elettronici a

risparmio energetico con sistema integrato di compensazione della temperatura.

I metodi teorici e sperimentali per la previsione della degradazione dell’intensità sono basati su

quattro metodologie di previsione, che prendono in considerazione la corrente e/o la temperatura

di giunzione: lo scopo è quello di ottenere nel minor tempo possibile previsioni affidabili della

durata di vita dei LED in condizioni normali di funzionamento. Un metodo [25] puramente teorico

deriva la forma della funzione di degradazione dell’intensità come funzione dell’efficienza quantica

iniziale, del carico di corrente e della temperatura di giunzione di un LED. Diversi altri metodi [26-

29] assumono una certa conformazione della funzione di degradazione descritta a partire da uno o

due parametri, che sono prima inseriti all’interno dei tracciati di degradazione misurati a diversi

carichi di corrente o temperature di giunzione. I valori dei parametri calcolati sono poi utilizzati per

prevedere i parametri del tracciato di degradazione a corrente arbitraria o a temperatura di

giunzione arbitraria attraverso un modello esponenziale o di potenza. In contrasto, un modello

empirico recentemente proposto e basato su 4 parametri per la degradazione dell’intensità *30]

incorpora sia la corrente che il tempo, senza considerare l’effetto della temperatura di giunzione.

Cionondimeno, il modello si basa sui risultati di uno degli esperimenti condotti in maniera più

estesa sulla degradazione di intensità dei LED. Le due metodologie descritte portano a risultati di

previsione della durata di vita relativamente buoni. Ad ogni modo, sono altamente specifici e

richiedono la misura iniziale dell’efficienza quantica di tutti i LED utilizzati nell’esperimento o la

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conoscenza dell’andamento del tracciato di degradazione che varia in modo significativo a

seconda del tipo di LED.

Un approccio statistico più generale alla durata di vita [31] è basato sulla stima del tasso di rottura

dei LED a differenti carichi di corrente e poi la derivazione del tempo medio di rottura attraverso

un modello di potenza. Anche se questo metodo non prende in considerazione la temperatura di

giunzione, potrebbe essere facilmente modificato in questo senso. Ad oggi, comunque, non sono

stati calcolati gli errori di previsione. L’ultimo metodo *32] non fa ipotesi sulla forma del tracciato

di degradazione: la durata di vita di un LED attraversato da corrente arbitraria è previsto a partire

dalla durata di vita a correnti nominali superiori utilizzando un modello di previsione esponenziale.

L’errore di previsione riportato sulla durata di vita è il più piccolo tra tutti i metodi discussi. Anche

se questo metodo è molto pratico, ha una limitazione fondamentale, che si applica a tutti i metodi

di previsione della durata di vita dei LED, ed è quello di non prendere in considerazione la

temperatura di giunzione. Questo si attribuisce al fatto che la temperatura di giunzione dipende

dal LED specifico e dall’ambiente circostante e quindi le durate di vita sono valide solo se i LED

operano a una temperatura simile a quella utilizzata per fare le previsioni.

La degradazione del colore nei LED è aspetto molto utile per progettare e mantenere vari tipi di

prodotti, che richiedono un certo livello di stabilità del colore, ma che non hanno sistemi di

aggiustamento dinamico. Purtroppo, la maggior parte delle ricerche in questo ambito è stata

indirizzata solo all’identificazione delle cause della degradazione a differenti carichi di corrente e a

fornire una descrizione qualitativa del processo. L’unico metodo proposto per la previsione della

degradazione del colore [32] ha fornito previsioni relativamente buone con errori ben al di sotto

della regione quadrangolare di dimensioni approssimativamente uguali a quella dell’ellisse in sette

passi di MacAdam comunemente utilizzata come cambiamento tollerabile massimo del colore

dall’industria dell’illuminazione *33]. Poiché il metodo è stato testato solo per i LED da 5mm a

GaN, non è chiaro se la medesima metodologia si possa applicare ad altri tipi di LED. Le previsioni

sono basate sul carico di corrente e non prendono in considerazione la temperatura di giunzione,

quindi soffrono della stessa limitazione appena discussa.

La degradazione delle caratteristiche elettriche è probabilmente la meno problematica. Un

aumento di 0,1V nel voltaggio di mandata non ha praticamente impatto sulla performance del

prodotto, perché solitamente i LED sono governati dalla corrente e non dal voltaggio. La

degradazione può essere più problematica per le misure della temperatura di giunzione,

comunemente impiegate durante i test di vita accelerata, che è basata sulla dipendenza dalla

temperatura del voltaggio di andata a corrente costante. Un cambiamento nelle caratteristiche

elettriche diminuirà l’accuratezza delle misure e può richiedere una ricalibrazione frequente.

Altro aspetto importante è la variazione della degradazione spettrale, cioè la variabilità all’interno

della medesima partita dell’intensità e del processo di degradazione colorimetrica, attribuibile a

numerosi fattori associati con le variazioni nel processo produttivo e con il design del prodotto

LED. Uno di questi fattori è la variabilità della resistenza termica della capsula, che provoca nei

diversi LED diverse temperature di giunzione anche se sono attraversati dalla stessa corrente, e

quindi hanno differenti dinamiche di degradazione. Un altro fattore è il design del prodotto LED:

un gradiente di temperatura nel circuito causa nei LED diverse temperature di giunzione e quindi

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