LED İLE “KATI HAL” AYDINLATMA

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. yüzyılda 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 başlayacağının 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.

1. Isıtma yöntemi: Bir flaman yapısı üzerinden elektrik akımı geçirilerek flamanın ısınması sağlanır ve akkor hale gelen flamanın yaydığı görülebilir ışık kullanımımıza sunulur. Örnek, akkor lambalar ve halojen lambalar.
2. 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, cıva buharlı lambalar, metal halide lambalar, sodyum buharlı lambalar.
3. 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, kompakt fluoresan lambalar.
4. Elektrik enerjisini doğrudan ışığa çeviren bir yöntem olarak katı bir yapı içersinde elektronların 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 materyal yapısına bağlı olarak görülebilir ışık tayfının belirli bir bölümünde ışık yayarlar. Başka bir deyişle tek renk ışık üretilir ve aktif katmanda kullanılan materyal LED ışığının rengini belirler.Yüksek seviyede ışık veren renkli LED'lerde aktif katman olarak farklı materyaller 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 üretildikleri 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 kullanılarak %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 laboratuar 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.

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.

Yukarıda da anlattığımız gibi LED'ler tek renk ışık kaynağıdır. Dekoratif aydınlatma yaparken tek renkli 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 sağlayacaktır. 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 dalga boyu 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 dalga boyu 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 faaliyetini 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 alternatif olarak.

Yarın Aydınlatma dahil o kadar çok geniş alanda kullanılacak 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.

(EMO İZMİR ŞUBESİ HAZİRAN 2005 BÜLTENİNDEN ALINMIŞTIR)