|
LED İLE “KATI HAL” AYDINLATMA
Işık ve insan
Çok uzun zaman önce insanlar, yalnız gün ışığından
(gündüz ışığından) istifade edebilmişler. Ateşin keşfi ile birlikte
gündüzlerin dışında yapay ışıkla aydınlatmayı da öğrendiler. Daha
sonra yapay ışık olarak meşaleler ve yağ lambaları ile aydınlandılar.Yağ
lambası, meşale ve mum 19. yy ortalarına kadar gözde ışık kaynakları
oldu.
1870'lerde Edison'un flamanlı lambayı geliştirmesiyle
aydınlatmada yeni bir çığır açılmış oldu. 20. yüzyıda fluoresan
lambalar, deşarj esaslı lambalar hayatımıza girdi. Geçtiğimiz asrın
sonunda katı halde ve yarı iletken yapıda LED lambalar aydınlatmada
yapay ışık kaynağı olarak yerini almaya başlıyacağının sinyalini
verdi.
Yapay ışık üretimi
Temel olarak elektrik enerjisini ışığa çevirmek için
3 yöntem kullanılır. Isıtma yöntemi, düşük ve yüksek basınçlı metal
buharlı ortamda deşarj yöntemi ve uyarılma ile ışık verme (luminescence)
yöntemleri.
- Isıtma yöntemi: Bir flaman yapısı
üzrinden elektrik akımı geçirilerek
flamanın ısınması sağlanır ve akkor
hale gelen flamanın yaydığı
görülebilir ışık kullanımımıza sunulur.
Örnek, akkor lambalar ve halojen lambalar.
- Gaz deşarjı: Havası boşaltılmış ve
metal buharı ilave edilmiş bir tüp
içerisinde iki elektrot vasıtasıyla
bir gerilim uygulanarak, metal
buharı üzerinden geçen akımın
meydana getirdiği ark'ın yaydığı görülebilir
ışık aydınlatmada kullanılır. Örnek,
civa buharlı lambalar, metal halide
lambalar, sodyum buharlı lambalar.
- Uyarma ile ışıma yöntemi (Luminescence)
: Alçak basınçlı civa buharlı lambalarda
elde edilen gözle görülemeyen UV ışık
ile bir fosfor tabakası uyarılarak
görülebilen ışığa çevrilir. Örnek,
fluoresan lambalar, kompact fluoresan
lambalar.
- Elektrik enerjisini doğrudan
ışığa çeviren bir yöntem olarak katı
bir yapı içersinde elekronların
uyarımı ile görülebilen ışık elde edilebilinir
(electroluminescense). Örnek, LED lambalar.
Işık yayan diyotlar
LED , İngilizcede L ight E mitting D iodes
kelimelerinin kısaltılarak, bu ürünün jenerik adı haline gelmiş
söylenişidir . Bir LED yongası yapı itibarı ile N ve P
tipi yarıiletken katmanlar arasına sandviç edilmiş aktif katman
tabakasından ve bunların elektriksel bağlantılarından oluşan opto
elektronik bir elemandır . LED'ten doğru yönde bir akım
geçirildiğinde elektronlar aktif katmanı uyarır ve aktif katmanda
ışık üretilir. Üretilen ışık doğrudan veya reflektörden yansıma
ile pencere katmanından yayılır.
LED'ler aktif katmanın metaryel yapısına bağlı olarak
görülebilir ışık tayfının belirli bir bölümünde ışık yayarlar. Başka
bir deyişle tek renk ışık üretilir ve aktif katmanda kullanılan
materyel LED ışığının rengini belirler.Yüksek seviyede ışık veren
renkli LED'lerde aktif katman olarak farklı materyeller kullanılır
(GaAs, Gap, GaN, AlInGaP ve InGaN). LED'lerle beyaz ışık üretmek
iki yöntemle mümkündür. Bunlardan birincisi; kırmızı, yeşil ve mavi
üç adet LED yongasını bir kılıf içersinde kullanarak beyaz ışığı
elde etmektir. İkinci yöntem ise mavi LED yongasında üretilen ışığın
bir fosfor tabakasını uyararak beyaz ışık üretilmesidir.
Şekil olarak çeşitli ebatlarda, radyal biçim başta olmak üzere çok çeşitli yapılarda kılıflandırılırlar. Normal
baskı devreler için pin ayaklı üretidikleri gibi, SMT (yüzey montaj
teknolojisi) ve doğrudan baskı devre üzerine montajlı
(on board) biçimlerde üretimleri ticari olarak piyasaya sürülmektedir.
LED'lerin özellikleri ve sağladığı faydalar
- Tek renk ışık kaynağı (dar bantlı):
Işık istenilen dalga boyunda olduğu
için renk filtresi, prizma gibi renk
ayrıştırıcılara ihtiyaç yoktur. Örneğin
kırmızı trafik lambasında 617 nm dalga
boyunda kırmızı LED lerde üretilen
ışığın tamamı kullanılır. Oysa akkor
lambalarda üretilen ışığın mavi ve
yeşil bileşenleri bastırılarak sadece
kırmızı bileşeni kullanılır. 75 W akkor
lamba yerine 8-10W LED dizini kulanılarak
%80 enerji tasarrufu sağlanır.
- Çok küçük ışık kaynağı (birkaç mm
2 ): Küçük ebatlı armatürler geliştirilir,
ışık kolayca yönlendirilebilir.
- Tasarımcılara geniş ve kolay kullanım
imkanları.
- Hızlıdır, 200 ns içinde ışık vermeye
başlar.
- Uzun Ömür : Kullanım kondisyonuna
bağlı olarak 100.000 saate kadar.
- Yüksek ışık verimliliği (verimlilik
giderek artıyor, örneğin laboratuvar
ortamında kırmızı renkte 108 lümen/Watt'a
ulaşılmış durumda).
- Düşük ısı üretimi: Akkor lambalarda
flaman ısısı 2700 o C, halojen lambalarda
3100 o C, deşarjlı lambalarda tüp ısısı
800-1100 o C ye ulaşırken LED'lerde
yonga ısısı 110 o C'yi geçmez.
- Tanımlanmış ışık açıları.
- Görülebilir renk tayfındaki hemen
hemen bütün renkler elde edilebilir.
- Dimerlenebilir (0 – 100 %).
- Şok ve titreşimlere dayanıklı: Cam,
flaman gibi kırılgan elemanlar ihtiva
etmez.
- Beyaz LED için farklı renk sıcaklıkları:
3200, 4700, 5400,6500 Kelvin.
- Çevrecidir; yapısında civa gibi ağır
metallar ve halojen gazları yoktur.
LED'lerin elektriksel özellikleri
Öncelikle bilinmesi gereken özellik LED'ler doğru
akımla çalışırlar. Elektrik devrelerinde LED'ler normal diyotlar
gibi davranırlar. Farklı olan yanı normal diyotlarda 0,7 Volt civarında
olan birleşme gerilimi yerine, renklerine göre 1,6 V ile 4 V aralığında
değişmektedir. Genellikle kırmızı ve sarı LED'ler 1,9 – 2,6 V, yeşil
mavi ve beyaz LED'ler 2,5 V – 4 V arasında gerilimle çalışırlar.
Devreye bağlanırken polaritelerine dikkat etmek gereklidir. Ters
gerilime tahammülleri azdır ve 5 – 10 V gibi ters gerilimle tahrip
olabilirler. LED akımları yapılarına göre değişmekle birlikte 10
mA ile 700 mA aralığında LED üretimleri mevcuttur. LED empedansları
üzerinden geçen akımın büyüklüğüne bağlı olarak doğrusal olmayan
bir eğri ile değişkenlik gösterirler.
LED'ler genellikle seri bağlanıp bir dizin oluşturularak
10, 12, 24, 48V doğru akım veren elektronik güç kaynakları ile beslenirler.
Tasarım yapılırken üreticisinden temin edilecek teknik bilgiler
göz önüne alınarak optimum ışık ve elektriksel değerler ile çalıştırılmalıdır.
Eğer elimizdeki LED hakkında hiçbir teknik bilgiye sahip değilsek
20 mA akımla sürülmesi önerilir. Bazı üretici firmalar LED dizinlerini
değişik formlarda oluşturarak çeşitli LED MODÜLLERİ üretmektedir.
Profesyonel uygulamalarda bu LED modüllerinin ve onlar için tasarlanmış
güç kaynaklarının kullanılması tercih edilmelidir. LED'leri sürmek
için elektronik kontrollü güç kaynaklarının kullanılması, verimli
çalışmaları için önemlidir. Son birkaç yıdır üreticiler tarafından
1 W ve 2 W güçlerdeki LED'ler için 350 mA ve 700 mA akım kontrollü
güç kaynakları kullanıma sunulmuştur.
Birçok uygulamada LED'in verdiği ışığın şiddetinin
mümkün olduğu kadar yüksek olması istenir. LED'lerden elde edilen
ışık şiddeti, içinden geçen akımla orantılı olduğundan akım arttırıldıkça
ışık şiddeti de artacaktır. Bu durumda LED'in iç direncinden dolayı
üretilen ısı artacak ve normal hizmet ömründen önce tahrip olacaktır.
Ayrıca ısının artması ışık verimliliğini de olumsuz yönde etkileyecektir.
Buradan çıkan sonuç, ısı LED'in en büyük düşmanıdır. Bu bilgiler
ışığında firmaların LED'leri hakkında verdiği teknik bilgilerin
ne kadar güvenilir olduğu göz önünde bulundurulmalıdır. Örnek 20
mA lik bir LED'ten 25-30 mA akım akıtarak yüksek ışık değerleri
elde edilebilir, ancak LED ömrü oldukça düşecektir.
LED'lerin ömürleri
Teorik olarak yapılan hesaplamalar ve deneyler LED'lerden
100.000 saat üzerinde bir süre istifade edebiliceğimizi ortaya çıkarmaktadır.
Elektriksel, ısıl kondisyon (soğutma), çevresel etkiler, kullanılan
çevre elemanları, kılıfın materyel yapısı vb. etkenler göz önüne
alındığında 50.000 saat ve üzeri hizmet ömrü olduğu kabul edilebilir.
LED'lerin ışık verimliliği
Lambaların verdiği ışığın, harcadığı elektrik enerjisine
oranı ışık etkinliği h ' dır, birimi ise lumen/Watt'dır.
Biraz rakamlarla konuşmak istersek;
Akkor lambalarda ışıksal verim 12 – 15 lm/W
Halojen lambalarda 18 – 22 lm/W
Kompakt fluoresan lambalarda 60 lm/W
Fluoresan lambalarda 55 – 104 lm/W
LED'lerde durum biraz farklıdır, LED rengine göre
ışık etkinliği farklılık gösterir. Örnek; kırmızı en yüksek verimliliğe
sahiptir 45 lm/W, sarı 35 lm/W, yeşil 18 lm/W, mavi 8 lm/W civarındadır.
Aydınlatmada beyaz ışık önemli olduğuna göre beyaz LED için verimlilik,
üretici firmalara göre değişmekle birlikte 18 – 25 lm/W arasında
değişmektedir.
Bu verilerle şunu söyleyebiliriz ki bugün (mayıs
2005) LED'ler akkor ve halojen lambalara alternatif olabilmekte
ancak fluoresan ve kompakt fluoresan lambalarla verimlilik açısından
rekabet edebilecek seviyede değildir. Diğer taraftan ışık verimliliğinde
çok hızlı gelişmeler olmaktadır. 2008 - 2010 yıllarında beyaz LED'te
verimliliğin 50 – 70 lm/W değerlerine ulaşması beklenmektedir. LED
üretici bir firmanın deklare ettiğine göre, laboratuvar ortamında
kırmızı ışıkta 108 lm/W değeri yakalanmıştır.
LED ışık değerleri konusunda dikkat edilmesi gereken
bir konuda ışık açılarıdır. LED'ler yönlendirilmiş ışık oldukları
için ışık değerleri, cd (candela) veya mcd cinsinden verilmektedir.
Işık açıları düşük tutularak yüksek candela değerleri telaffuz edilmektedir.
LED seçiminde değerlendirme yapılırken bu konu dikkate alınmalıdır.
Optik önemlidir
Önemli noktalardan biri de ışığın açısının değiştirilmesi,
yönlendirilmesi, bir ışık kılavuzu ile dağıtılması, kısaca LED ile
ürettiğimiz ışığın kullanılmasıdır. Bu konuda en çok ihtiyacımız
olacak mercek sistemleridir. Efektif ve faydalı ürünler tasarlamayı
düşünüyorsanız, fizik kitaplarınızı, notlarınızı çıkarıp optik kunularını
tekrar incelemelisiniz.
Renklerin dünyası
Yukarıda da anlattığımız gibi LED'ler tek renk ışık
kaynağıdır. Dekoratif aydınlatma yaparken tek rekli kullanabileceğimiz
gibi, renkli LED ışıklarını karıştırarak bir ressam gibi değişik
ara renkleri elde edebiliriz. Bunun için yapmamız gereken üç ana
renkten (kırmızı, yeşil, mavi) oluşan LED dizinlerini dimerlemektir.
Hatta bazı üretici firmalar üç ayrı renk yongayı aynı kılıf içerisine
yerleştirerek RGB uygulamaları için hazır LED'ler ve LED modülleri
üretmektedir. LED'leri dimerlemek için darbe genişlik modülasyonunu
(PWM) kullanmak en iyi verimi sağlıyacaktır. Teorik olarak her rengi
255 kademe dimerlenirse 16 milyon renk elde edilebilir. Ancak insan
gözü kişiden kişiye değişmekle birlikte 600 – 640 rengi ayrıt edip
algılayabilmektedir.
LED'lerin renk dalgaboyu ile ilgili bilgiler üretici
firmanın kataloglarında verilmektedir. LED dizinleri oluşturulurken
kullanılan LED'lerin dalga boyları aynı veya birbirine yakın olmalıdır.
5 – 10 nm lik farklar özellikle yeşil ve sarı renklerde göz tarafından
algılanır. Renklerin önemli olduğu projelerde, renk dalgaboyu toleransı
düşük LED'ler kullanılmalıdır.
Renk ile ilgili olarak bir başka konu da LED dizinleri
önüne renkli lenslerin kullanılmasıdır. Burada LED dalga boyu ile
renkli lensin dalga boyu aynı olmalıdır. Aksi halde farklılık ışık
kaybına sebep olacaktır.
LED'lerin gelişimi (tarihçesi)
1962 İlk ticari LED üretildi, ilk üretilen kırmızı
LED'ler sinyal ve göstergelerde kullanıldı.
1972 Siemens Semiconductor Division tarafından (Bugün
Osram Optosemiconductor olarak faliyetini sürdürüyor) ilk radyal
kılıf LED üretildi.
80 lerin sonu 90 ların başı İki büyük aşama kaydedildi;
• Kırmızı LED'e ilave olarak sarı, yeşil, mavi
ve beyaz LED'ler geliştirildi.
• Işık verimlilikleri arttırıldı.
1994 Önce kırmızı ve sarı ardından yeşil renkler
trafik ışıklarında kullanılmaya başlandı. VW başta olmak üzere otomobil
endüstrisinde kullanılmaya başlandı.Araçlarda 3. fren lambası olarak
kullanılmaya başlandı.
Yeni milenyum ile birlikte Titreşimlerden etkilenmeme
özelliğinden dolayı araç tasarımcıları gösterge aydınlatması, stop
lambası, fren lambaları, sinyal lambaları olarak LED dizinlerini
kullandılar. Birkaç firma far lambası prototipleri geliştirdi.
Bugün LED'ler aşağıdaki uygulamalarda sıkça kullanılmakta.
• Bir otomobilde 300 den fazla LED kullanılmakta
(konsol, radyo, CD çalar, navigasyon sistemi, göstergeler ve butonlar
içinde).
• Cep telefonları gösterge ve tuş aydınlatması
için 12 adet LED kullanılmakta (fotoğraf çeken modellerde flaş olarak).
• 100.000 LED'ten fazlası büyük ölçekli göstergelerde
kullanılmakta. Örneğin futbol sahaları, dış mekan görüntü cihazları,
büyük trafik bilgilendirme göstergeleri.
• Dekoratif aydınlatmalarda
ışık kaynağı olarak.
• Reklam panolarında neon lambalara altenatif
olarak.
Yarın Aydınlatma dahil o kadar çok geniş alanda kullanlacak
ki, bunları sayarak kullanım alanlarını sınırlamayalım. Sonuç olarak
LED ışık tasarımcısının vazgeçemeyeceği bir konudur. Büyüleyen ışığı,
verimliliği, faydaları ile ışıkla uğraşan herkesin ilgi odağıdır.
Işığın geleceği LED ile kesişmiştir. Bize düşen konuya uzak kalmayıp
gelişmeleri takip etmektir.
Kaynaklar:
• Bhattacharya,P (1997) Semiconductor Optoelektronic
Devices, Prentice-Hall, USA. 206-230
• Hicman,I (1997) A look at Light, Elektronic
World, 466-471
• http://www2.whidbey.net/opto/LEDFAQ/The%20LED%20FAQ%20Pages.html
• http://www.osram-os.com
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/led.html
• http://www.supertex.com/feature_osram_gateway.html
• http://www.antrak.org.tr/gazete/042004/yazi07.html
(EMO İZMİR ŞUBESİ HAZİRAN 2005 BÜLTENİNDEN ALINMIŞTIR)
|
