💡 Componenti elettronici · Guida 07

LED: funzionamento, polarità e calcolo della resistenza

Il LED è un diodo a emissione luminosa: conduce principalmente in una direzione e trasforma parte dell’energia elettrica in luce. Per usarlo correttamente non basta collegarlo a una batteria: bisogna rispettare anodo e catodo, conoscere la caduta diretta Vf, limitare la corrente e calcolare la resistenza serie. Vediamo anche LED in serie, parallelo, pilotaggio con Arduino/ESP32 e PWM.

Livello: base → intermedio Tempo di lettura: 20–25 min Vf + corrente Arduino / ESP32

Che cos’è un LED?

LED significa Light Emitting Diode, cioè diodo a emissione luminosa. È una particolare giunzione a semiconduttore progettata affinché, durante la conduzione diretta, una parte dell’energia rilasciata dalla ricombinazione dei portatori venga emessa sotto forma di fotoni.

LED elettronici di diversi colori e dimensioni con terminali a foro passante
Esempi di LED a foro passante di diversi colori e dimensioni, utilizzati come indicatori luminosi e sorgenti di luce.

➡️ Diodo

Conduce prevalentemente dall’anodo verso il catodo.

💡 Luce

La giunzione emette fotoni quando è attraversata da corrente.

⚠️ Corrente

Deve essere limitata: il LED non regola autonomamente la propria corrente.

Un LED non è una lampadina da collegare direttamente alla tensione Una piccola variazione della tensione diretta può produrre un forte aumento della corrente. Per questo si usa quasi sempre una resistenza o un driver a corrente costante.

Come fa un LED a produrre luce?

Quando il LED è polarizzato direttamente, elettroni e lacune vengono iniettati nella regione attiva della giunzione. La loro ricombinazione libera energia. Nei materiali semiconduttori adatti, una parte significativa di questa energia viene emessa come radiazione elettromagnetica.

L’energia dei fotoni, e quindi il colore della luce, dipende dal band gap del materiale semiconduttore. Per questo LED rossi, verdi, blu e infrarossi utilizzano materiali e strutture differenti.

Il colore non dipende semplicemente dalla plastica esterna L’involucro può essere colorato o trasparente, ma la lunghezza d’onda emessa è determinata principalmente dalla struttura semiconduttrice del chip.

Polarità: anodo e catodo

Come gli altri diodi, anche il LED è polarizzato. In funzionamento normale la corrente convenzionale entra dall’anodo ed esce dal catodo.

Anodo A (+)Catodo K (−)
MetodoIndicazione comune
Terminali di un LED nuovo THTIl reoforo più lungo è normalmente l’anodo.
Lato piatto del packageNormalmente identifica il catodo.
Struttura interna visibileLa parte metallica più grande è spesso collegata al catodo.
MultimetroIl test diodo permette di verificare la polarità.
Non affidarti solo alla lunghezza dei terminali Su componenti usati o già tagliati il riferimento può essere perso. Datasheet e multimetro restano i metodi più affidabili.

Caduta di tensione diretta Vf

Quando il LED conduce presenta ai suoi capi una tensione chiamata Vf. Non è una costante perfetta: cambia con corrente, temperatura, materiale e singolo componente.

Colore / tecnologiaVf indicativa
Infrarosso≈ 1,1–1,5 V
Rosso≈ 1,6–2,2 V
Giallo / arancio≈ 1,8–2,4 V
Verde≈ 2–3,2 V, secondo tecnologia
Blu≈ 2,7–3,5 V
Bianco≈ 2,7–3,5 V
Sono valori indicativi Il calcolo definitivo va eseguito usando il datasheet oppure un valore Vf realistico alla corrente di progetto.

Quanta corrente deve attraversare un LED?

I classici LED indicatori da 3 mm o 5 mm vengono spesso usati a correnti dell’ordine di pochi milliampere fino a circa 20 mA, ma non esiste una corrente universale valida per ogni LED.

Più corrente non significa automaticamente “meglio” Oltre un certo punto l’aumento di luminosità può essere modesto mentre crescono dissipazione, temperatura e stress del chip.

Per indicatori moderni ad alta efficienza spesso 2–10 mA sono già sufficienti. I LED di potenza richiedono invece driver dedicati a corrente costante.

Perché serve una resistenza in serie?

La caratteristica corrente-tensione del LED è molto ripida. Collegandolo direttamente a una sorgente di tensione, piccole variazioni di Vf, temperatura o alimentazione possono produrre grandi variazioni della corrente.

La resistenza serie assorbe la tensione che non cade sul LED e trasforma questa differenza in una corrente molto più prevedibile.

VR = VS − VF La resistenza deve far cadere la parte restante della tensione di alimentazione.

Calcolo della resistenza per un LED

R = (VS − VF) / ILED VS in volt · VF in volt · ILED in ampere.
Esempio 1 — LED rosso a 5 V VS = 5 V
VF = 2 V
ILED = 10 mA = 0,010 A

R = (5 − 2) / 0,010 = 300 Ω.

Possiamo scegliere il valore commerciale immediatamente superiore, per esempio 330 Ω.
Esempio 2 — LED blu a 3,3 V VS = 3,3 V
VF = 2,9 V
ILED desiderata = 5 mA

R = (3,3 − 2,9) / 0,005 = 80 Ω.

Un valore commerciale da 82 Ω è vicino al risultato teorico.
Scegliere il valore superiore è spesso prudente Ridurre leggermente la corrente protegge il LED e, per un indicatore, la differenza visiva può essere minima.

Calcolare la potenza della resistenza

PR = I² · R Equivalente a PR = VR·I.
Esempio con 330 Ω e 9 mA PR = 0,009² × 330 ≈ 0,027 W.

Una normale resistenza da 0,25 W lavora con ampio margine.
Con tensioni elevate la resistenza può scaldare molto Non basta calcolare gli ohm: bisogna verificare anche la potenza dissipata.

LED collegati in serie

In serie tutti i LED sono attraversati dalla stessa corrente. Le rispettive cadute dirette si sommano.

R = (VS − ΣVF) / I
Esempio Tre LED rossi da circa 2 V ciascuno con alimentazione 12 V e corrente 10 mA:

ΣVF = 6 V
R = (12 − 6) / 0,010 = 600 Ω.

Si può scegliere 620 Ω.
Condizione indispensabile VS deve essere sufficientemente superiore alla somma delle Vf per lasciare una tensione utile alla resistenza o al driver di corrente.

LED collegati in parallelo

Mettere più LED direttamente in parallelo con una sola resistenza comune non è generalmente una buona pratica, perché piccole differenze di Vf possono causare una distribuzione diseguale della corrente.

Soluzione semplice Per LED indicatori in parallelo, assegna normalmente una resistenza serie a ogni LED.
Current hogging Il LED con Vf leggermente più bassa può assorbire più corrente, scaldarsi, ridurre ulteriormente la propria Vf e attirare ancora più corrente.

Perché colori diversi hanno Vf diverse?

La lunghezza d’onda emessa dipende dall’energia dei fotoni. Poiché questa energia deriva dal band gap del semiconduttore, materiali diversi producono colori diversi e richiedono differenti tensioni dirette.

E = h · f = h · c / λ L’energia del fotone aumenta al diminuire della lunghezza d’onda λ.

I LED blu e bianchi basati su materiali ad ampio band gap tendono quindi ad avere Vf superiore rispetto ai comuni LED rossi.

Come testare un LED con il multimetro

  1. Imposta il multimetro sulla funzione test diodo.
  2. Collega il puntale rosso all’anodo e il nero al catodo.
  3. Il display può mostrare la Vf e il LED potrebbe illuminarsi debolmente.
  4. Invertendo i puntali dovrebbe normalmente apparire OL.
Alcuni LED blu o bianchi potrebbero non accendersi La tensione di test di alcuni multimetri non è sufficiente per superare la loro Vf. Questo non significa necessariamente che il LED sia guasto.

Collegare un LED ad Arduino

Per un LED indicatore, il collegamento tipico è:

GPIO Arduino→ resistenza → anodo LED
Catodo→ GND

Con un’uscita da 5 V, un LED rosso da circa 2 V e una resistenza da 330 Ω:

I ≈ (5 − 2) / 330 ≈ 9,1 mA
Rispetta il limite di corrente del GPIO La corrente massima del LED non è l’unico limite: conta anche quella ammessa dal microcontrollore per singolo pin, porta e dispositivo complessivo.

Collegare un LED a ESP32

La logica ESP32 lavora tipicamente a 3,3 V. Con un LED rosso da circa 2 V e una resistenza da 220 Ω:

I ≈ (3,3 − 2) / 220 ≈ 5,9 mA

È una corrente spesso più che sufficiente per un LED indicatore moderno e riduce lo stress sul GPIO.

Non progettare partendo da “20 mA perché il LED li sopporta” La corrente dovrebbe essere scelta in base alla luminosità necessaria e ai limiti elettrici del pin.

Regolare la luminosità con PWM

Con la PWM il LED viene acceso e spento rapidamente. Variando il duty cycle cambia la potenza media e quindi la luminosità percepita.

Duty cycleComportamento
0%LED spento.
25%Luminosità media bassa.
50%Luminosità media intermedia.
100%LED sempre acceso.
La percezione visiva non è lineare Un duty cycle del 50% non viene necessariamente percepito come “metà luminosità”. Occhio umano, efficienza LED e driver introducono non linearità.

LED ad alta corrente: serve un driver

Quando la corrente supera ciò che un GPIO può fornire in sicurezza, il LED non deve essere alimentato direttamente dal microcontrollore. Si usa un transistor, un MOSFET o un driver a corrente costante.

Transistor BJT

Adatto a piccoli carichi con corretta resistenza di base.

MOSFET

Ottimo per PWM e correnti maggiori con basse perdite.

Driver LED

Regola direttamente la corrente, ideale per LED di potenza.

I LED di potenza richiedono anche gestione termica La giunzione può danneggiarsi rapidamente senza PCB termico, dissipatore o percorso termico adeguato.

Errori comuni con i LED

  • collegare il LED direttamente alla batteria o al GPIO senza limitazione di corrente;
  • invertire anodo e catodo;
  • usare sempre 20 mA senza verificare datasheet e luminosità necessaria;
  • dimenticare la caduta Vf nel calcolo della resistenza;
  • usare una sola resistenza per più LED in parallelo;
  • superare il limite di corrente del pin Arduino/ESP32;
  • non calcolare la potenza della resistenza;
  • pilotare LED di potenza direttamente dal microcontrollore;
  • applicare una tensione inversa superiore al limite del LED.

Come scegliere un LED

ParametroCosa indica
Colore / λColore visibile o lunghezza d’onda dominante.
VFCaduta diretta alla corrente specificata.
IFCorrente diretta nominale o massima.
Intensità luminosaSpesso espressa in mcd per LED indicatori.
Flusso luminosoLumen nei LED per illuminazione.
Angolo di emissioneQuanto è concentrato il fascio.
VRTensione inversa massima ammessa.
Package3 mm, 5 mm, SMD, power LED ecc.
TemperaturaLimiti e derating.
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