LED’ler hakkında

LED (Lighting-Emitting Diode / Işık Yayan Diyot)

LED (Lighting-Emitting Diode / Işık Yayan Diyot)’lar güç durumunu göstermekten genel aydınlatmaya kadar neredeyse tüm elektirkli cihazlarda kullanılmaktadır. Sürekli gelişen kapasiteleri ve özellikleri sayesinde sadece elektronik cihazlarda değil geleneksel ampul ve floresan lambaları değiştiren ana ışık kaynağı olarak da ortaya çıkmıştır.
Elektriksel olarak, bir LED basitçe, bir p-n bağlantısından oluşan yarıiletken bir diyot içermektedir. P tarafı yani anot, pozitif yüklü çoğunluk taşıyıcıları (delikler) ve n tarafı yani katod ise negatif yüklü çoğunluk taşıyıcıları (elektronlar) içermektedir. P-N bağlantısına iletim yönünde gerilim uygulandığında elektronlar n bölgesinden p bölgesine doğru, deliklerse p bölgesinden n bölgesine doğru hareket eder. Temas (junction) bölgesinde elektronlar ve delikler birleşirken enerjilerini (photon) foton / ışık enerjisi olarak açığa çıkarırlar. Sonuç olarak LED ışık yaymış olur.
LEDler genelde uygulama geliştiricilere özelde ise devre tasarımcılarına birçok avantajlar sunar. Geleneksel ışık kaynakları ışık enerjisini her yöne ve geniş bir dalgaboyunda yayarken, LEDler p-n bağlantısında kullanılan yarı iletken malzemenin tipine bağlı olarak daha dar belirlenmiş dalga boylarında gayet yönlendirilmiş aydınlatma sağlamaktadır. Ayrıca, – ani açma kapama imkanı, ısınma süresi gerekmemesi ile – LEDler geleneksel ışık kaynaklarına göre çok hızlıdır. Aslında LEDler ürünün ömrünü hiç etkilemeden veya çok az etkileyerek hızlı bir şekilde anahtarlanabilir. LEDler geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilir hatta düşük sıcaklıklarda özellikleri daha gelişmiştir. Mekanik olarak LEDler küçük, kompak ve geleneksel aydınlatmanın kullanılamayacağı sıkı ve sert ortamlara uygun sağlam cihazlardır.
LEDler üretim tekniklerinin sürekli gelişmesiyle, tanıdık 5 mm kırmızı led ampulden karmaşık aydınlatma kaynaklarına kadar önemli ölçüde gelişmiştir. (Resim 1) Yarıiletken diyot olarak, – basit 5 mmliklerden gelişmiş yüksek güçlü olanlara kadar – tüm LEDler her devrede basitçe kullanılabilir ve diğer devre elemanları gibi kontrol edilebilir.

Şekil 1-A

Şekil 1-B
LEDler iletim gerilimi (VF) ve iletim akımı (IF) olarak uygulama parametrelerinden en önemli ikisiyle anılır. LEDler, IF akımı, birkaç on miliamperle çalışan küçük cihazlardan aydınlatma seviyesine göre yüzlerce miliampere kadar değişen ve tipik olarak 5 V altında VF gerektiren, düşük gerilimle çalışan cihazlardır. LEDler uygulanan gerilime karşı çok hassastır. VF gerilimindeki küçük değişimler IF akımında büyük değişiklikler doğurur. (Şekil 2) Fazla iletim akımı ve küçük ters gerilimler parçayı bozabilir. Bu sebeple, LED datasheetlerinde en önemli özelliklerden biri maksimum iletim akımıdır. LEDler belirlenmiş performansı hedeflemek için anma IF özelliklerinde sürülmeye ihtiyaç duyarlar.

Şekil 2-A

Şekil 2-B
En basit şekliyle, bir LED sürücü devresi sadece bir akım sınırlama direnci veya balast/dengeleyici gerektirir (Şekil 3). Basitlik ve maliyet yönünden belirgin avantajına rağmen, bu yöntem seri direnç üzerinde güç kaybı ve kısıtlı ışık parlaklığını ayarlama imkanı sonucunu doğurur.

Şekil 3
Aslında LED ışığı iletim akımına (Şekil 4) ve ısıya (Şekil 5) karşı oldukça hassastır. Mühendisler ticari LED sürücü Entegreleri ve sıcaklık kompanzasyon yöntemleriyle bu sorunlara çözüm üretmiştir. LEDlerin kontrolünde en esnek metodlardan biri LED parlaklığını akım kaynağının doluluk boşluk oranı değişkeniyle kontrol eden darbe – genişlik modülasyonu (pulse-width modulation / PWM) ile akımı sürmektir. LED üreticileri maksimum iletim akımı oranı üzerinde akım-darbe karakteristiklerini gösteren performans grafikleri sağlayacaklardır.

Şekil 4

Şekil 5
Pek çok mühendis, ürünlerin renk ve aydınlatma kapasiteleri ile ilgili yeni ve bilinmeyen özellikleri LEDlerin teknik özellikleri ile tanıdı. LEDler piyasaya çıktıkları basit gösterge parçaları olma günlerini çoktan geride bıraktılar, aydınlatma mühendisleri LEDlerin özelliklerinin ötesinde baskın dalga boyu ve ışık akısı gibi daha fazla kendini anlatan datasheetlere ihtiyaç duyuyorlar. Bu özelliklerden biri de ışık verimliliği (luminous efficacy). LED verimliliği (LED efficiency – LEDin yapısının ürettiği fotonları yayımının ne kadar iyi olduğu ile ilgili bir ölçü) ile karıştırılmaması gerekir, ışık verimliliği cihazın gücü ışığa dönüştürmesi olarak tanımlanır ve Lümen/Watt ile ölçülür.Bu açık performans kriterlerinin ötesinde, yinede, son model LEDler için datasheetler anahtar renk unsurlarını içeren ilişkilendirilmiş renk sıcaklığı (CCT – correlated color temperature), renk görüntüleme indexi (CRI), kromatiklik koordinatları – cihazın yaydığı rengin bir insan tarafından nasıl algılanacağını gösteren normalleştirilmiş değerleri sağlamak niyetindeki standartlaştırılmış değerler – gibi kapsamlı tablolar ve grafikler içermektedir.
Kelvin derecesi ile ölçülen, CCT; belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılmış bir referans kaynakla bir ışık kaynağının karşılaştırılması yöntemiyle renk görünürlüğünü belirler. Paradoksal bir biçmde daha düşük K değerleri görsel olarak daha sıcak görünür. Örneğin, sert yüksek basınçlı sodyum lambaları 1900 K CCT değerine sahipken sözde soğuk beyaz diye adlandırılan floresan lambalar 4200 K CCT’ye sahiptir.
CRI, ışık kaynağının ürettiği rengin standart ampul ve günışığı referans kaynaklarıyla karşılaştırmasına göre ne kadar iyi olduğunu temsil eder. Yüksek basınçlı sodyum ışığı tipik olarak 22 CRI, soğuk beyaz floresan lamba ise 62 CRIdır. İç mekan aydınlatmasında, endüstri ve devlet gruplarında en az 80 CRI kullanılması tavsiye edelir. Çünkü gelişen LED teknolojisi ile bu tür karşılaştırma giderek zorlaşmakta ve renk kalitesi için alternatif bir standart bu parametreleri değiştirecektir.
Renkle ilgili datasheet parametrelerinden en önemlilerinden biri de Kromatiklik (renksellik) koordinatıdır. 1931’de Uluslararası Aydınlatma Komisyonu (International Commission for Illumination) tarafından tanımlanmıştır, 1931 CIE Chromacity (renksellik) Diagramı her rengi iki boyutlu bir renk haritasında tanımlar (Şekil 6). Bu haritadaki her nokta bir renk için ton (hue) ve koyuluğu (saturation – color purity) belirler. Bir nokta haritanın merkezine yaklaştıkça, giderek daha saf bir beyaz ışık olarak görünür. LED üreticilerinin datasheetlerindeki özellikler tipik olarak x,y kromatiklik koordinatlarını içerir. Bu diagramın çok tutulan bir çeşidi, CIE 1976 ise datasheetlerde u’,v’ koordinatları şeklinde alternatif haritalama olarak görünür.

Şekil 6
LED’lerin pratik uygulamaları belirli bir aygıt için özelliklerin dikkatli bir şekilde anlaşılmasını ve her aygıtta belirlenmiş özelliklere rağmen davranış farklılıkları sergileyeceğinin takdir edilmesini gerektirir. LED datasheet özelliklerine bağlı kalarak ve dikkatli analizlerini yaparak, mühendisler daha gelişmiş LEDleri giderek artan uygulamalar serisine dahil edebileceklerdir.