Led luminosi, calcolo della resistenza limitatrice

I LED luminosi protetti dalla resistenza limitatrice utilizzano una quantità molto esigua di elettricità ed hanno una vita quasi infinita.
In modello più comune sono quelli dal diametro di 5 mm, ma ne esistono anche da 3 o 10 mm, sempre più spesso si utilizzano quelli di tipo SMD
In questo articolo vedremo come calcolare la resistenza limitatrice e faremo un semplice test tramite Arduino.

Un pò di storia

In elettronica il LED (sigla inglese di Light Emitting Diode) o diodo a emissione di luce è un dispositivo optoelettronico che sfrutta la capacità di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea quando attraversati da una corrente elettrica.
Il materiale semiconduttore presenta due zone drogate differentemente in modo da avere portatori di carica opposta, elettroni e lacune, i quali secondo i principi di funzionamento del diodo a giunzione si ricombinano emettendo energia sotto forma di fotoni.

Il primo LED fu sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr. Nel 2014 è stato assegnato il premio Nobel per la fisica ad Isamu Akasaki e Hiroshi Amano dell’Università di Nagoya e a Shūji Nakamura dell’Università della California, Santa Barbara per le ricerche sul LED a luce blu. [Fonte Wikipedia].

All’inizio della loro comparsa sul mercato i led venivano venduti in modo che emettessero luce rossa o verde, mentre adesso possono emettere colori come il blu, il giallo, il bianco senza parlare di quelli RGB.
Questo tipo di led emettono oltre ai tre colori base (rosso, verde, blu) moltissime tonalità a seconda dell’accensione contemporanea dei tre colori base.

Gestione dei LED

Per accendere un led non è possibile collegare direttamente il LED alla batteria o ad un alimentatore  in quanto:

  1. I LED luminosi devono essere protetti dalla resistenza limitatrice che limiti la quantità di corrente che fluisce attraverso di esso, altrimenti si brucia!
  2. Il LED ha un lato positivo (chiamato Anodo) ed uno negativo (chiamato Catodo), e non si accenderà se piazzato nel senso sbagliato.

Nel primo caso, se non utilizza una resistenza il led potrebbe distruggersi immediatamente in quanto troppa corrente attraverserebbe la giunzione interna che produce la luce. che si surriscalderebbe distruggendosi.
Per l’inversione della polarità, ci sono due modi per sapere qual è il lato positivo e quello negativo nel led. In primo luogo il piedino più lungo è quello positivo,
In alternativa, esaminando il corpo del led in corrispondenza di dove il piedino negativo entra nel corpo del led c’è un piano metallico di dimensioni maggiori rispetto al positivo.

led luminosi resistenza limitatrice

Calcolo resistenza limitatrice

In base al colore che emette il diodo led varia il valore della tensione di caduta, per cui per calcolare il valore della resistenza occorre sapere questo valore, per esempio questi sono i valori tipici per alcuni colori:

  • Rosso: 1,8V
  • Verde 2,0V
  • Giallo 1,9V
  • Arancio 2,0V
  • Blu 3,0V
  • Bianco 3,0V

Il colore vari a seconda di come è creata

GaAs, Arseniuro di Galio, lunghezza d’onda 850-940nm, Infrarosso
GaAsP, Fosfuro Arseniuro di Galio, lunghezza d’onda 630-660nm, Rosso, Arancione, Giallo
InGaAIP, Fosfuro Nitruro di Galio Alluminio Indio, lunghezza d’onda 570-630nm, Arancione, Giallo, Verde
InGaN, Nitruro di Galio e Indio, lunghezza d’onda 505-570nm, Verde, Verde-blu, blu / Bianco
SiC, Silicio Carbonio, lunghezza d’onda 430-505nm, Blu
C, Diamante, lunghezza d’onda minore di 430, Ultravioletto

Per cui considerando come valore tipico della corrente massima che deve attraversare un diodo pari a 15 mA, si potrà ricavare tramite la legge di ohm il valore che dovrà avere il resistore da utilizzare

R=(Vin-Vled)/I

dove:

  • R è la resistenza da utilizzare
  • Vin la tensione che alimenta il led
  • Vled la caduta di tensione propria del Led in base al colore
  • l il valore della corrente che vogliamo che attraversi il led

Per cui se consideriamo un led di colore rosso con una caduta di tensione di 1,8V, una tensione di alimentazione Vin di 5V e una corrente I di 15 mA pari a 0,015A otteniamo un valore di resistenza pari a

R=(5-1,8)/0,015≅213 ohm

Il valore calcolato, è il valore MINIMO della resistenza da utilizzare, non sempre il valore calcolato è disponibile, in questo caso, il valore più facile da reperire è quella con un valore di resistenza di 220 Ω.
Questo valore, più elevato, rispetto a quello calcolato tramite la formula farà si che il led si accenda comunque con una luminosità più bassa. Infatti se applichiamo la legge di ohm e troviamo il valore della corrente, otteniamo

I=V/R da cui I=(5-1.8)/220= 0,014 A (14 mA)

Nel caso scegliessimo una resistenza con un valore standard più basso di quello calcolato, in questo caso 150 Ω vedremo la luminosità del led aumentare, in quanto la corrente che attraversa il led è maggiore.

I=V/R da cui I=(5-1.8)/150= 0,064 A (64 mA)

Usiamo un calcolatore online

Per effettuare il calcolo ci potremmo avvalere di uno dei tanti siti che mettono a disposizione.
In questo caso è sufficiente indicare il valore della tensione di alimentazione e il tipo di led da scegliere tra quelli proposti. il programma calcolerà il valore della resistenza di caduta e la potenza dissipata.
led luminosi resistenza limitatrice

Schema di prova

Vediamo ora di verificare per i Led luminosi gli effetti della resistenza limitatrice. Potremo vedere l’effetto del cambiamento del valore di corrente sulla luminosità del led.
Per cui realizziamo su una breadboard il circuito riportato sotto. Per fare questo abbiamo bisogno di:

  • Una scheda Arduino
  • due led rossi
  • un resistore dal valore di 47 Ω (giallo, viola, nero, oro)elettronica
  • un resistore dal valore di  4,7 KΩ (giallo, viola, rosso, oro)
  • dei cavi colorati per effettuare i collegamenti

in questo modo quando alimenteremo il led potremo vedere che cambiando il valore della corrente si modificherà la luminosità.

Nota: come vedete i valori di resistenza sono molto diversi da quelli sopra calcolati, questi sono stati scelti per aumentare il divario di luminosità tra i due led che diversamente non sarebbe molto visibile.
Dato che il test sarà di breve durata non vi è comunque problemi di danneggiare né i led né la porta di Arduino

led luminosi resistenza limitatrice

Download Sketch

// www.adrirobot.it
// Verifichiamo la luminosità con due
// valori di resistenza

#define LED_1 13  // LED collegato con R= 150 ohm
#define LED_2 8   // LED collegato con R= 220 ohm

void setup() {
  pinMode(LED_1, OUTPUT);     // imposta il pin digitale come output
  pinMode(LED_2, OUTPUT);     // imposta il pin digitale come output
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_1, HIGH);  // accende il LED 1
  delay(1000);              // aspetta un secondo
  digitalWrite(LED_1, LOW);   // spegne il LED
  digitalWrite(LED_2, HIGH);  // accende il LED
  delay(1000);              // aspetta un secondo
  digitalWrite(LED_1, HIGH);  // accende il LED 1
  delay(2000);              // aspetta un secondo
  digitalWrite(LED_1, LOW);   // spegne il LED 1
  digitalWrite(LED_2, LOW);   // spegne il LED 2
}