DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN ve MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 4 Sayı: 1 sh Ocak 2002 LED İN DARBELİ AŞIRI AKIMDA BAZI DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ

Transkript

1 DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN ve MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 4 Sayı: 1 sh Ocak 00 LED İN DARBELİ AŞIRI AKIMDA BAZI DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ ÖZET/ABSTRACT (AN INVESTIGATION OF SOME BEHAVIORS OF LED AT PULSED HIGH CURRENTS ) Erem ÖZÜTÜRK* Darbeli akıma arbe süresi ve (arbe/boşluk) oranı uygun oluğuna LED en nominal oğru akımının çok üstüne genliğe sahip akım arbeleri akıtmak mümkünür. LED in ışık şieti içinen akan akımla orantılı oluğunan akım arttıkça aha fazla ışık şieti ele eilebilmekteir. Bu çalışmaa LED in arbeli yüksek akımlaraki bazı avranışları incelenmiş bulunulmaktaır. Darbeli yüksek akımlara LED in bazı elektriksel ve optik avranışlarını incelemek için gerekli ölçme evreleri, ölçme üzenekleri ve ölçme yöntemleri tasarlanmıştır. Daha sonra LED akımının LED gerilimi ile eğişimi ve LED in ani irencinin (LED üzerineki gerilim arbesinin genliği/led en akan akım arbesinin genliği) akımla eğişimi incelenerek LED in arbeli yüksek akımlara elektriksel avranışı ortaya konulmuştur. İkinci olarak akım arbesinin genliği ve arbe süresine göre ışık şietinin eğişimi incelenmiş ve bu eğişimlere LED in yüksek akım eğerlerine ısınmasınan olayı oluşan etkiler belirtilmiştir. LED in arbeli yüksek akımlara avranışı ile ilgili incelenen iğer bir özelliği ışıma iyagramları ile ilgiliir. LED en akıtılan eğişik genliklereki akım arbeleri için ışıma iyagramları çizilerek akım arbesinin genliği arttıkça ışıma iyagramlarına ortaya çıkan eğişiklikler gösterilmiştir. If pulse uration an (pulse uration/perio) ratio are chosen suitable in pulse operation high currents can be passe through the LED. The raiant power of LED is proportional with LED current, so, if current is increase more raiant power can be hanle. In this stuy the behavior of LED at pulse high currents has been investigate. For this, esigning the necessary measuring circuits an measuring methos the electrical an optical behavior of LED at pulse high currents are examine. The variation of LED current with LED voltage an the variation of instantaneous resistance of LED (voltage rop on LED/the current amplitue of current pulse) with LED current at high currents are etermine. Accoring to amplitue an uration of current pulse the changes of raiant power are examine. The thermal affect on raiant power at pulse high currents is showe. Drawing raiant iagrams at high pulse currents the changes on these iagrams at high pulse currents are specifie. ANAHTAR KELİMELER/KEYWORDS LED, Darbeli yüksek akım, Işık şieti, Fotoiyot, Optoelektronik LED, Pulse high current, Raiant power, Photoioe, Optoelectronics *Uluağ Üniv., Mühenislik-Mimarlık Fak., Elektronik Müh. Böl., Görükle, BURSA

2 Sayfa No: 1. GİRİŞ 0 Erem ÖZÜTÜRK Birçok uygulamaa LED in veriği ışığın şietinin mümkün oluğu kaar fazla olması gerekmekteir. Bu neenle LED in ışık şietinin arttırılmasına yönelik araştırmalar evam etmekteir. LED in ışık şieti iki yöntem ile arttırılabilmekteir. Birinci yöntem aha fazla ışık ele etmek amacıyla LED in yarıiletken yapısı üzerine geliştirmeler yapmaktır. İkincisi ise LED in ışık şietiyle orantılı olan parametrelerine gerekli eğişikliğin yapılarak ışık şietinin arttırılmasıyla ilgili olan parametrik yöntemir. Bu çalışmanın konusu ikinci yöntemle ilgiliir. LED in ışık şieti içinen akan akımla orantılıır ve akım arttıkça ışık şieti artmaktaır. Dolayısıyla LED en aha fazla ışık ele etmek için LED en akan akımın arttırılması gerekmekteir. LED en akan akımın eğeri arttıkça LED ısınmakta ve belli bir akım eğerinen sonra LED fazla ısınıp yanabilmekteir. Bu neenle LED en aha fazla akım akıtmak ancak arbeli çalışmaa ve uygun (arbe/boşluk) oranlarına mümkün olmaktaır. Darbeli çalışmaa LED in ısıl eylemsizliğinin etkili oluğu, yani LED sıcaklığının arbeli akımın genliğinin oluşturuğu ısıl güce karşı gelen sıcaklığa yükselmeen akımın kesiliği arbe sürelerine ve LED in akım arbesi süresince einiği ısıyı tamamen çevreye verebiliği boşluk sürelerine LED en nominal oğru akımının çok üzerine genliğe sahip akım arbeleri akıtılabilmekteir. Bu çalışmaa nominal akımı 0 ma-400 ma eğerlerine olan LED leren genliği 10 A, 15 A eğerlerine olan arbeli akımlar akıtılmış ve bu yüksek eğerli akımlara LED in avranışı incelenmiştir. Bu amaçla yüksek akım eğerlerine LED in elektriksel ve optik karakteristiklerine ne gibi özelliklerin ortaya çıktığı araştırılmıştır. Spektral karakteristiği görünür bölgee ışık verecek şekile olan LED ler aha ziyae inikatör olarak kullanılmaktaırlar. İnsan gözünü aha fazla uyarması için bunların a akımları arttırılarak ışık şietleri arttırılabilir. Uygulamalara çoğunlukla kızıl ötesi bölgee ışık veren LED ler kullanılığınan ve yüzey yayımlamalı LED ler kenar yayımlamalı LED lere nazaran aha fazla ışık veriklerinen bu çalışmaa yüzey yayımlamalı kızılötesi LED ler incelenmiştir. LED in nominal oğru akımına nazaran ne orana aha fazla arbeli akım akıtılabileceği LED in ısıl yapısıyla ilgiliir ve bu neenle yapılan çalışmalar açıklanırken ilk olarak LED in ısıl yapısıyla ilgili bilgiler verilmiştir. Daha sonra ölçmelere kullanılan ölçme evreleri ve ölçme yöntemleri açıklanıktan sonra LED in yüksek akımlara incelenen bazı elektriksel ve optik avranışları açıklanmaktaır.. MATERYAL VE YÖNTEM.1. LED in Isıl Özellikleri Bu bölüme yüksek akım eğerlerine LED in ısınmasınan olayı oluşan etkileri görebilmek için LED in ısıl özellikleri ele alınacaktır. LED in yüksek eğerlere akımla sürülmesi urumuna jonksiyona açığa çıkan ve ısıya önüşen güç jonksiyon sıcaklığını önemli miktara yükseltir. Jonksiyon sıcaklığının izin verilen en büyük sıcaklık eğerini aşmaması gerekir. GaAs LED lere bu sınır 15 o C kaarır. Jonksiyon sıcaklığının bu en büyük eğeri LED en akıtılan akımın alabileceği en büyük eğerle bağlantılıır. LED en akan akımın genliği, jonksiyona en büyük jonksiyon sıcaklığını meyana getiren ısıl güçten aha fazla bir ısıl güç oluşturmayacak bir eğere olmalıır. Jonksiyon sıcaklığı LED in tahrip olacağı en büyük sıcaklığa yükselmese e,

3 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: 1 sıcaklık arttıkça LED in verebiliği ışık şieti azalığınan aha fazla ışık şietinin ele eilebilmesi için jonksiyon sıcaklığının üşük eğerlere kalması gerekir. Jonksiyona açığa çıkan ısıl güç buraan LED in kılıfına, oraan a çevreye yayılarak uzaklaşır. Bu uzaklaşma yolunun ısıl irenci ne kaar küçükse ısı o kaar kolay yayılacak ve jonksiyon sıcaklığı o kaar az yükselecektir. LED en akan akım zamanla hızlı bir eğişiklik gösteriyorsa, bu akımın yarıiletken içine oluşturuğu ısıl güç e zamanla eğişecektir. Isıl gücün hızlı eğişimleri için LED in yapılığı malzemenin sıcaklığı epolaması ile ilgili olan bir ısıl kapasite etkili olacaktır. Isıl gücün hızlı eğişimleri için LED in ısıl eşeğeri Şekil 1 eki gibi olacaktır (Daviov, 1967; Kuntman, 1994). Şekil 1 eki ısıl eşeğer evresine (t), jonksiyona açığa çıkan ısıl güç, T j (t), jonksiyon sıcaklığı, C 1, jonksiyonan kılıfa kaar olan bölgenin ısıl kapasitesi, R 1, jonksiyonan kılıfa kaar olan bölgenin ısıl irenci, C ve R ise sırasıyla kılıf bölgesinin ısıl kapasitesi ve ısıl irenciir. P j R 1 P t j () Tj () t C C 1 R Z () T s Şekil 1. LED in AC ısıl moeli Z T (s) empeansı aşağıaki gibi basit kesirlere ayrılabilir. Z T ( s) = A k ( s + s k= 1 k ) (1) Yukarıaki gibi bir transfer fonksiyonuna sahip ısıl evrenin girişine Şekil eki gibi bir P güç arbesi uygulanması urumuna, bu güce karşılık oluşan jonksiyon sıcaklığının zaman önemine t 1 anına kaar olan eğişimi aşağıaki gibi olacaktır. T ( t) = P R k= 1 k [ 1 exp( t / τ )] k () t t 1 oluğu t 1 anınan sonra sıcaklık aşağıaki ifaeye göre eğişecektir: T ( t) = P Rk 1 k= 1 [ 1 exp( t / τ )] exp( t / τ ) k k (3)

4 Sayfa No: Erem ÖZÜTÜRK Eşitlik 3 te τ k, LED yapısınaki ilgili bölgenin zaman sabitiir. Jonksiyon sıcaklığının ulaşabileceği en büyük eğer; T [ 1 exp( t / τ )] = T ( t1) = P Rk 1 1maks k k= 1 (4) P, T r P T 1 maks 0 t 1 t Şekil. P gücüne göre jonksiyon sıcaklığının eğişimi olmaktaır. Bu en büyük sıcaklık eğerinin güç arbesinin genliğine ( P ), ısıl zaman sabitine ( τ k ) ve arbe süresine ( t 1 ) bağlı oluğu görülmekteir. Şekil 3 e LED in periyoik akım arbeleriyle sürülmesi urumuna jonksiyon sıcaklığının eğişimi görülmekteir. Bu eğişime göre LED, güç arbesi süresince einiği sıcaklığın tamamını gücün olmaığı süree (boşluk süresince) çevreye verememekte ve ısınmaktaır. Bunun sonucu olarak LED sıcaklığı yükselmekteir. Bu sıcaklık eğerinin izin verilen en büyük jonksiyon sıcaklığı eğerinen aha fazla olmaması gerekir. Ayrıca, LED tahrip olmasa bile jonksiyon sıcaklığı arttıkça ışık şieti üştüğünen jonksiyonun ısınması istenmeyen bir urumur. Eğer güç arbesi sonuna jonksiyona oluşan ısının tümü boşluk süresine çevreye verilebiliyorsa, jonksiyon, her yeni arbe sonuna aynı en büyük sıcaklık eğerini alacaktır. Bu sıcaklık eğeri, t arbe süresi, P ısı arbesinin genliği, R k ilgili bölgenin ısıl irenci, τ k ilgili bölgenin zaman sabiti olmak üzere aşağıaki ifaeen bulunabilir. T maks = T ( t ) = P R k= 1 k [ 1 exp( t / τ )] k (5) Bu ifaeye göre t >> τ k ise T maks T maks = P Rk = P 1 + k= 1 ( R R ) (6) olacaktır. Bu eğer aynı zamana genliği P olan ve zamanla eğişmeyen bir sürekli gücün varlığı urumuna jonksiyonun sıcaklık eğeriir (Leblebici, 1996). Eşitlik 4 teki

5 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: 3 eksponansiyel terimin etkili oluğu arbe sürelerine jonksiyon sıcaklığı Eşitlik 6 ile verilen sıcaklık eğerinin altına kalacaktır. Bu uruma LED aha az ısınığınan LED e aha fazla güç uygulanabilir ( P genliği arttırılabilir). LED in veriği ışığın şieti içinen geçen akımla orantılı olarak arttığınan t nin uygun eğerlerine LED in verilen nominal akımının çok üstüne genliğe sahip akım arbelerini akıtmak mümkün olmaktaır. P, T P (1) () (n-1) (n)... Şekil 3. Periyoik arbeli güçte LED sıcaklığının yükselmesi t Darbeli çalışmaa LED akımının genliği I, periyot T ve I N nominal akımı arasına aşağıa verilen bağıntı bilinmekteir. I N T t I = (7) Yukarıa Eşitlik 7 ile ele eilirken LED en nominal akımı I N ve arbe akımı I akımı akarken LED in gösteriği elektriksel irençlerin eşit olukları kabul eilmiştir. Halbuki LED in eğişik akımlara gösteriği irençler olukça farklı olabilmekteir. Bu irenç eğerlerineki farklılığın etkisinin ne ölçüe oluğunu görebilmek için LED in gösteriği irencin akımla eğişiminin incelenmesi gerekmekteir. Aşağıa sözkonusu eilen bu eğişimi ve ayrıca LED in yüksek akım eğerlerine ışık şietinin eğişimini ele eebilmek için kullanılan ölçme evreleri ve ölçme yöntemleri açıklanmaktaır... Ölçme Devreleri Yukarıa belirtilen LED in elektriksel ve optik karakteristiklerini incelemek amacıyla kullanılan ölçme evresi Şekil 4 e gösterilmiştir. Devree kullanılan osilatör 555 tüm evresiyle oluşturulmuş, (arbe süresi/boşluk süresi) oranı eğiştirilebilir bir arbe osilatörüür. C t zamanlama konansatörü R A irenci ve iyot üzerinen akan akımla olmaktaır. Anahtar iyotunun iletim irenci eğeri ihmal eilirse, arbe süresi R A irenci ve C t zamanlama kapasitesinin eğerine bağlı olarak t = RACt ifaesiyle belirlenmekteir. C t konansatörü, üzerineki gerilim belli bir eğere gelinceye kaar olmakta, bu gerilim seviyesinen sonra ise R B irenci ve 55S5 tüm evresinin 7'nolu ucu üzerinen toprağa oğru boşalmaktaır. Üretilen arbeli işaretin boşluk süresi konansatörün boşalma süresini veren tb = RBCt bağıntısı ile belirlenmekteir. Darbeli işaretin periyou ise T = t + tb süresine eşit olmaktaır. R A, R B ve C t eğerleri eğiştirilerek

6 Sayfa No: 4 Erem ÖZÜTÜRK istenilen arbe ve boşluk süreleri ele eilmekteir. Osilatörün ürettiği işaret 3 nolu ucunan verilmekteir. LED en arbeli şekile akım akıtabilmek için uygun bir anahtar evre elemanına ihtiyaç varır. Böyle bir eleman, LED en kısa sürelere 10A-15A gibi yüksek eğere akım arbeleri akıtılması gerektiğinen bu büyüklükteki bir akımı 555 tüm evresinin verebileceği akımla kontrol eebilecek yüksek akım kazancına sahip olmalıır. Ayrıca iletim anına üzerine oluşan oyma gerilimi küçük olmalıır. Doyma geriliminin yüksek eğere olması urumuna büyük eğerli akım akıtabilmek için aha büyük besleme gerilimine ihtiyaç olacaktır. Ayrıca anahtar elemanı ilgili arbe sürelerine ve yüksek akım eğerlerine ısınmamalıır. Yukarıa belirtilen özellikler ikkate alınarak anahtar elemanı olarak bir güç MOSFET i (IRF 840) seçilmiştir. V DD geriliminin temin eiliği oğru akım güç kaynağı 35V ve 1.5A eğerlerine sahiptir. Ölçmeler esnasına akıtılan 10A, 15A gibi yüksek eğerli akımlar güç kaynağına paralel bağlı konansatörleren çekilmekteir. Darbe süresince konansatörleren akım çekilmekte, boşluk süresine ise konansatörler besleme kaynağınan sağlanan akımla olmaktaırlar. Akım arbelerinin arbe süresi kısa oluğu için bu sürelere konansatörleren çok yüksek akımlar çekilebilmekteir. Akımın çekiliği konansatörlerin toplam kapasitesi ile akımın aktığı seri yol boyunca görüğü toplam irencin oluşturuğu zaman sabiti arbe süresine göre çok büyüktür. Bu neenle arbe süresinin zaman sabitine oranı ile bulunabilecek eğilme çok küçük olmaktaır. Konansatörleren hızlı eğişimlere sahip akım arbeleri akıtılığına arbe eğişimlerine çınlama olayı ortaya çıkabilmekteir. Çınlama olayına yol açan konansatör uçları ve evreeki bağlantı iletkenlerinen kaynaklanan enüktif reaktansı kompanze etmek için güç kaynağı uçlarına büyük ve küçük eğerlere birkaç konansatör paralel bağlanmıştır (Hall, 1994). Işık ile ilgili yapılan ölçmelere oğruan ışık şieti eğil bu ışık şietine karşılık gelen fotoeektör gerilimi ölçülmüştür. LED in bir akım için veriği ışık şieti biliniği takire aynı akım için LED in veriği ışığın kullanılan fotoeektöre oluşturuğu gerilimin ölçülmesi urumuna gerilim ile ışık şieti arasınaki önüştürme katsayısı bulunabilir ve böylece oğruan ışık şieti eğişimleri gösterilebilir. Bu çalışmaa ise ışık şieti yerine fotoeektör gerilimi ölçülmüş ve ilgili açıklamalar buna göre yapılmıştır. Böylece yüksek akımlara ve kısa sürelere fotoeektör gerilimi ile ışık şieti arasınaki önüştürme katsayısı belirlenirken ilaveten oluşacak hataan kaçınılmıştır. LED in veriği ışığın ölçülmesi için fotoeektör olarak fotoiyot kullanılmıştır (Watson, 1998). Ölçmelere kısa süreli ışık arbeleri sözkonusu oluğu için ve oğrusallık önemli oluğu için Şekil 4 e gösterilen fotoiletken moa çalışan basit evre kullanılmıştır. Fotoiyotun fotoiletken moa çalışacak şekile kutuplanması urumuna çalışma hızı artmaktaır. Ayrıca oğrusallığın a iyi olması için R L irencinin eğeri 3.3 kohm kaar küçük bir eğere seçilmiştir. Işık şieti ölçülecek LED ile fotoiyot arasınaki uzaklık en yüksek ışık şietine bile fotoiyotun oymaya girmeyeceği kaarır. Fotoiyot oymaya girikten sonra fotoiyota çarpan ışığın şieti ile fotoeektören ölçülen V ph gerilimi arasınaki eğişim oğrusal olmamaktaır. Bunlaran başka eektör olarak kullanılacak fotoiyot ile ışık şieti ölçülecek olan LED in spektral uyumluluk göstermeleri gerekliir. İyi bir spektral uyum olması urumuna fotoiyot evresinen maksimum foto akımı veya gerilimi ele eilebilir.

7 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: 5.3. LED in Yüksek Akımlara Elektriksel Karakteristikleri Bu bölüme LED in yüksek akım eğerlerine akım-gerilim, akım-irenç karakteristikleri incelenecek ve bu eğişimlerin özelliklerine göre birtakım sonuçlar ele eilecektir. Ölçmeler Şekil 4 eki osilatör evresi kullanılarak yapılmıştır. Ölçmeler esnasına aynı 1 ohm luk ölçü irenci evree evamlı seri uruma bağlı tutulmuştur. Akım arbesinin genliği, LED e eğişik eğerlere irençleri seri bağlayarak eğiştirilmiştir. Akım arbelerinin genliği 1 ohm luk sabit ölçü irenci uçlarınaki gerilim farkı osilaskopla ölçülüp gerilim farkının irenç eğerine bölünmesiyle bulunmuştur. Akım arbelerinin süresi ise akımın irençler, LED, MOSFET seri evresine sıcaklıkla eğişmeyeceği bir eğere seçilmiştir. Periyoik arbe işaretinin boşluk süresi ise arbe süresine göre çok büyük kabul eilebilecek bir eğere (6.76 ms) bulunmaktaır. Darbe süresi ile boşluk süresi karşılaştırılığına akım arbelerini tekrarlanmayan (periyoik olmayan) tek arbe şekline üşünmek mümkünür. Akım ve gerilim eğerlerinin ölçme anları arbenin anahtarlama sürelerinin ışına olan ve arbenin en büyük eğerini (tepe eğerini) alığı anlarır. LED üzerine üşen anot ve katot gerilim farkı a yine osiloskopla ölçülerek bulunmuştur. 15V V CC 34V R Ö R 8 4 +V CC 7 R s R B C t R = 3 L k 3 V ph Şekil 4. Ölçme evresi Şekil 5 e ört farklı kızılötesi ışık veren LED in, arbe şekline akan akımın tepe eğerinin anot-katot geriliminin tepe eğerine göre eğişimi verilmekteir. Ölçülen akım ve gerilimlerin tepe eğerleri arbe süresince sabit oluğunan bu eğerler başka şekile eğişen bir akım veya gerilim işaretinin herhangi bir ana alığı eğer şekline üşünülebileceği için bu eğişime ani gerilim-akım eğişimi aı a verilebilir. Şekil 6 a, Şekil 5 eki ani akım-gerilim eğişimi verilen LED ler için gerilim eğerlerinin akım eğerlerine oranı alınarak bulunan ani irencin akıma göre eğişimleri görülmekteir. LED e bir pn jonksiyonu oluğunan ani akım-gerilim karakteristiği e bir iyotun eksponansiyel ifaeyle verilen akım-gerilim eğişimine benzeyecektir. Düşük akım

8 Sayfa No: 6 Erem ÖZÜTÜRK eğerlerine LED akımı LED gerilimiyle üssel olarak eğiştiğinen LED in ani irenci LED akımı arttıkça azalacaktır (Boylesta, 199). Şekil 6 an görülebileceği gibi ani irencin en küçük bir sınır eğeri varır. Bu en küçük irenç eğeri büyük ölçüe göve ve temas irençlerinen meyana gelmekteir. Şekil 6 aki eğişimleren bu irencin eğeri 5A en sonra belirlenebilmekteir. Bu eğer, karakteristikleri birbirine yakın üstteki üç aet LED için yaklaşık olarak 1 ohm, karakteristiği en altta yer alan LED için yaklaşık olarak 0.7 ohm eğerine okunabilmekteir. 5A lik akım eğerinen sonra LED in gösteriği ani irenç yukarıa sözü eilen en küçük sınır eğerine sabit kalmaktaır. Dolayısı ile yaklaşık 5A en sonra LED in gerilim-akım karakteristiği eksponansiyel eğil yaklaşık olarak oğrusal bir eğişim (irenç karakteristiği) göstermekteir. LED lerin sözkonusu büyük eğerli bir akıman sonraki bu avranışları Şekil 7 eki gibi moellenebilir. Şekil 7 eki r b irenci göve ve temas irençlerinin toplamınan oluşmaktaır. LED in gösteriği ani irencin 5A ve aha büyük akım eğerlerine sabit ( r b ) eğerini almaya başlaığı LED gerilimleri Şekil 6 aki LED ler için yaklaşık olarak 3.46V, 4.83V, 5.14V ve 4.5V olmaktaır. Şekil 7 eki ieal iyot LED in iletim ve tıkama yönlerini karakterize etmekteir. LED üzerine harcanan elektriksel güç ısıya önüştüğünen jonksiyon sıcaklığının artmasına neen olmaktaır. LED in ışık şieti LED en akan akımla orantılı olarak artmaktaır. Işık şietini artırmak için arbeli çalışmaa (arbe/boşluk) oranı uygun seçilerek akımın eğeri arttırılmaktaır. LED in ani irenci r b sınır eğerine ulaşıncaya kaar LED üzerine harcanan ısıl güç akımın karesi ile orantılı olarak artmakta fakat orantı katsayısı r (I) irenci akım arttıkça azalmaktaır. Bu açıklamalara göre LED in nominal akımı I N e gösteriği irenç ile I gibi aha yüksek bir akıma gösteriği irencin eşit sayılabiliği akım eğerleri için verilen Eşitlik 7 aha yüksek akımlara çıkılıkça eğişecektir (Musayev, 1997; Özütürk ve Karlık, 1998; Özütürk, 000). I akımı I N nominal akımının çok üstüne ise bu akımlara LED in göstereceği irenç eğerleri olukça farklı olacaktır. I N nominal akımının jonksiyona T boşluk süresince harcaığı enerji ile I akımının jonksiyona harcaığı enerjiler eşitlenerek irençlerin farklı olması etkisi görülebilir. r N ( I ) T = r ( I ) t (8) N Yukarıaki bağıntıa r N, I N nominal oğru akımına görülen irenç, r ise I akımına görülen irençtir. T periyot (ya a boşluk süresi), t ise arbe süresiir. Eşitlik 8 en I akımı çekilirse Eşitlik 9 ele eilir. T rn I = I N (9) t r Ele eilen son bağıntı periyot ve arbe süresinin yanına ani irenç oranlarına bağlı olarak, I akımının I N nominal akımına nazaran ne orana büyük seçilebileceğini göstermekteir. r ani irenci r b sınır eğerinen aha küçük olamayacağı için ( r N / r ) nin ( r N / rb ) eğerine bir en büyük eğeri olacaktır. r = rb eğerinen sonra ( r N / r ) eğeri hemen hemen sabit kalacaktır. Direnç oranlarının etkisini sayısal olarak görebilmek için Şekil 6 aki 4'nolu LED için ölçülen eğerleren yararlanılacak olursa ( I = 56 ma e r = 5.41 ohm, I = A e r = ohm ur). N N

9 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: 7 r r N = olmaktaır.yani, bu örnekte irenç oranları göz önüne alınığına LED en yaklaşık iki kat aha büyük akım akıtmanın mümkün oluğu ortaya çıkmaktaır. Şekil 5. Dört farklı LED in gerilim-akım karakteristikleri Şekil 6. Dört farklı LED in ani irençlerinin akımla eğişimi

10 Sayfa No: 8 Erem ÖZÜTÜRK r b İeal iyo Şekil 7. Çok yüksek akımlara LED in elektriksel moeli.4. LED in Yüksek Akımlara Işık Şietinin Akımla Değişimi.4.1. Akım-Işık Şieti Karakteristiği Bu bölüme yüksek akım eğerlerine LED in ışık şieti ile akımı arasınaki eğişim incelenecektir. LED in mili amperler eğerineki akımlara veriği ışık şieti akım ile hemen hemen oğrusal bir şekile eğişmekteir. Doğru akımla ya a arbeli akım ile çalışmaa a bu oğrusallık geçerliir. Düşük eğerli oğru akımlar ya a arbeli çalışmaa akım arbesinin genliğinin üşük eğerli oluğu urumlara P ışık şieti ile I oğru akımı ya a akım arbesinin tepe eğeri arasına P = k p I şekline bir bağıntının geçerli oluğu söylenebilir (Popov v., 1997; Hickman, 1995; Hickman, 1996; Bhattacharya, 1997). δ =(arbe süresi/periyot) olmak üzere arbeli çalışmaa (δ <1), LED in oğru akımla (δ =1) sürülmesine nazaran P = k p I bağıntısınaki k p eğerinin arttığı söylenebilir. Aynı zamana (arbe/periyot) oranı küçülükçe k p nin eğeri artmaktaır, yani, aynı tepe akımı için δ küçülükçe aha fazla ışık şieti ele etme imkanı ortaya çıkmaktaır. LED in yüksek akım eğerlerine ışık şietinin akımla eğişimini ele etmek için Şekil 4 eki fotoeektör evresi ile osilatör evresi kullanılmıştır. LED in akımı, LED e eğişik eğerlere irençleri seri bağlayarak eğiştirilmiştir. LED akımı, her ölçme anına evree sabit uruma bulunan ve nominal eğeri 1 ohm olan irencin uçlarınaki gerilim farkı osiloskopla ölçülerek ve bu gerilim farkı irenç eğerine bölünerek bulunmuştur. Akım arbelerinin süresi, akımın irenç, LED, MOSFET seri evresine sıcaklıkla eğişmeiği bir eğere seçilmiştir. Periyoik arbe işaretinin boşluk süresi yine çok büyük bir eğere (6.76ms) bulunmaktaır. Pratik olarak akım arbelerini tekrarlanmayan tek arbe şekline üşünmek mümkünür. LED akımı ile ışık şieti eğerleri arbelerin aynı bir anı için ölçülmüştür. Işık şieti ile orantılı olan gerilim fotoiyot evresineki fotoiyota seri bağlı 3.3 kohm eğerineki irencin uçlarınan osiloskopla ölçülmüştür. Bu ölçmeler osiloskop ac kaemesine iken yapılmıştır. Fon gürültüsünün (ortamaki ışığın) etkisinin olmaması için evre ışık geçirmeyen bir kutuyla örtülmüştür. LED, fotoiyota 9 cm kaar uzaklıkta fotoiyota bakacak şekile lehimlenmiştir (Şekil 8). LED in fotoiyot yüzeyinin normali oğrultusuyla yaptığı açı, LED en akıtılan en büyük akıma oluşan ışık şietine karşılık okunan gerilimin tepe eğerinin 1.5 V u aşmayacak şekile ayarlanmıştır. LED in ve fotoiyoun konumları ölçme esnasına hep sabit tutulmuştur. Şekil 9 a ört eğişik LED in akım ile normalize ışık şietine karşılık gelen normalize fotoiyot geriliminin eğişimi görülmekteir. Grafikte görülen LED leren akan akımların arbe süresi 9µs ir. Şekil 9 aki grafikten akım arttıkça ışık şietinin artmakta oluğu ancak akım arttıkça ışık şieti/akım= k oranının azalmakta oluğu görülmekteir. p

11 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: 9 (Lehimlenmiş uçlar) LED L (uzaklık) Fotoiyot (Lehimlenmiş uçlar) Osilatör evresine Fotoeektör evresine.4.. Darbe Süresinin Etkisi Şekil 8. Işık şieti-akım eğişimi ölçme üzeneği blok şeması Akım arbesinin arbe süresinin akım-ışık şieti karakteristiğine etkisini belirlemek amacıyla bir önceki bölüme kullanılan osilatör ve fotoeektör evresi kullanılmıştır. Darbe süreleri parametre alınarak eğişik arbe süreleri sonunaki bir LED in akım-ışık şieti karakteristiklerinin çizilebilmesi için akım arbelerinin arbe süresi eğiştirilmiştir. Bunun için 555 tüm evresinin ürettiği arbelerin arbe süresini belirleyen R A irencinin eğeri eğiştirilmiştir. R A irencini eğiştirmek için bu irence paralel irençler bağlanmış ve böylece ört farklı irenç eğeri oluşturulmuştur. Darbe süresi eğiştirileceği zaman ilgili arbe süresini meyana getiren irençler R A ya paralel bağlanmıştır. Böylece 555 tüm evresinin arbe süresini belirleyen irencin evree evamlı bulunan en büyük eğeri (olayısıyla arbe süresinin en büyük eğeri) R A irenci ile belirlenmekteir. Bu yolla arbe süresinin ayarlanması esnasına zamanlama irencinin bağlı oluğu uçlar arasına yüksek eğerli bir irenç (uzun bir arbe süresi) oluşmaması sağlanmış ve LED en çok yüksek eğerli akımlar akıtılması sözkonusu oluğu için arbe süresinin istenmeen yüksek eğerli olması sonucu LED in tahrip olması önlenmiştir. Işık şietinin ölçümü ise bir önceki konua anlatılığı gibiir. Şekil 9. Değişik LED ler için normalize akım-ışık şieti eğişimleri

12 Sayfa No: 30 Erem ÖZÜTÜRK Değişik arbe süreleri için ışık şieti eğerleri fotoiyot evresinen okunurken arbe süresi, ölçümün yapılığı an ile ışık arbesinin yükselmeye başlaığı an arasına geçen süre olarak alınmıştır. Bir LED için arbe süresi parametre alınarak çizilmiş akım-ışık şieti karakteristikleri Şekil 10 a gösterilmiştir. Sözkonusu şekil ele eilirken 18µs, 9µs, 6.5 µs ve 35. µs olmak üzere ört farklı arbe süresi parametre olarak alınmıştır. Yüksek akım eğerlerine 18 µs en aha uzun arbe sürelerine LED in yanma tehlikesi bulunuğunan aha uzun arbe sürelerine çıkılmamıştır. Şekile parametre olarak seçilen ört aet arbe süresine göre ört aet eğri görülmekteir. En üstteki eğri 3.5 µs lik arbe süresine aittir ve arbe süresi arttıkça eğriler aha üşük ışık şietlerine eğişim göstermekteirler.darbe süresi arttıkça bu süree LED aha çok ısınmakta ve ışık şieti sıcaklık arttıkça azalığı için aha uzun arbe süresi sonuna ışık şieti aha üşük eğere olmaktaır..5. Yüksek Akımlara Işıma Diyagramı Buraa yüksek akım eğerlerine ışıma iyagramları çizilecek ve ışıma iyagramlarına yüksek akım eğerlerine oluşabilecek eğişiklikler incelenecektir. Işıma iyagramlarının çizilmesi için kurulmuş olan ölçme üzeneği Şekil 11 e gösterilmiştir. Işıma iyagramı ele eilecek olan LED, şekile gösterilen akrep iye alanırılan açı gösterir ibrenin önme merkezine bulunmaktaır. Akrep fotoiyot yüzeyinin normali ile açı yapacak şekile hareket ettiğine LED e aynı açıyı yapacaktır. LED in akrebin önme hareketinin merkezine bulunması ile ışığın LED i terkettiği yüzey ile fotoiyot arasınaki mesafenin bütün açılara sabit kalması sağlanmaktaır. Böylece ışık şietine saece açı eğişikliği neeniyle oluşacak olan eğişim gözlenmiş olacaktır. Fotoeektör evresi aha önce akım-ışık şieti eğişimlerinin ölçülmesine kullanılan evreir. Fotoiyot Şekil 11 eki gibi monte eilmiştir. LED ile fotoiyot yüzeyi arasınaki mesafe yaklaşık 19cm ir. Fotoiyoun anou ile toprak arasınaki irencin eğeri 3.3 Kohm ur. Ölçmeler esnasına fotoiyoun konumu ve LED ile olan uzaklığı aima sabit tutulmuştur. Yukarıa açıklanan ölçme üzeni kullanılarak LED en akıtılan eğişik akım eğerleri için ışıma iyagramları çizilmiştir. Fotoalıcı ve LED in konumları sabit tutularak saece akım ve açı eğiştirilmiştir. LED en maksimum akım akıtılırken akrebin yaptığı açı eğiştirilerek fotoiyoun anounan okunan ve en büyük ışık şietine karşılık gelen gerilimin belli bir eğeren küçük kalması sağlanmıştır. Böylece fotoiyot evresinen ölçülen gerilim eğerlerinin fotoiyot evresinin oğrusallığı kanıtlanmış olan ölçme bölgesine bulunması sağlanmıştır. LED en maksimum akım akarken LED in ölçme üzlemiyle yaptığı açı eğiştirilerek fotoiyottan okunabilecek maksimum gerilim belirlenikten sonra tüm ölçmelere LED in bu konumu sabit tutulmuştur. LED in optik yapısı sebebi ile LED in simetri ekseni oğrultusu ile ışık şietinin maksimum oluğu açı farklı olabilir. Bu neenle LED en akıtılacak akımın en büyük eğerine akrep önme merkezinen önecek şekile önürülerek fotoiyot evresinen en büyük ışık şietinin okunuğu açı sıfır erece olarak alınmıştır. Işık şietinin maksimum oluğu açıyı sıfır almak için Şekil 11 e görülüğü gibi akrep üzerine ilgili yere ibre görevi görecek olan bir çizgi çizilmiştir. Aynı LED ile yapılan eğişik akım ve açılaraki ölçmeler için akrebin açı gösterir ucunaki çizgi ibre olarak kabul eilmiştir. Farklı bir LED için belirlenen ibrenin yeri farklı bir yere olabilmekteir.

13 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: eğrinin arbe süresi 3.5 µs,.eğrinin arbe süresi 6.5µs 3. eğrinin arbe süresi 9 µs, 4.eğrinin arbe süresi 18 µs Şekil 10. Değişik arbe süreleri için LED in akım-ışık şieti eğişimleri Işıma iyagramı çizilirken uygun sıklıkta açılar için fotoiyot evresinen ışık şietine karşılık üşen gerilimler ölçülmüştür. LED en eğişik akımlar akıtılarak yüksek akım eğerlerine ışıma iyagramına akıma bağlı bir eğişiklik olup olmaığı incelenmiştir. Şekil 1 e eğişik akım eğerleri için ele eilmiş ışıma iyagramları ve bu ışıma iyagramlarının aynı açılara alıkları ışık şieti eğerlerinin birbirine oranının açı ile eğişimini gösteren grafikler bulunmaktaır. LED lerin eğişik ışıma iyagramlarının aynı açılara alıkları eğerler birbirine oranlanarak bu oranın açıya bağlı olarak eğişip Osilatöre Fotoeektöre İbre Dönme merkezi Fotoiyot Şekil 11. Işıma iyagramlarının çizirilmesi için ölçme üzeneği

14 Sayfa No: 3 Erem ÖZÜTÜRK eğişmeiği yani akım arttıkça ışıma iyagramına belli açılara iğer açılara nazaran bir kazanç yaa kayıp oluşup oluşmaığı incelenmiştir. Şekil 1 e verilen ışıma iyagramları ele eilirken LED en akan akımların arbe süreleri 9 µs seçilmiştir Değişik LED ler için yapılan incelemelere göre, ışıma iyagramlarına çok hızlı eğişimlerin oluğu açılara ve ışık şietinin çok azalığı büyük açı eğerlerine ölçme hatalarının arttığı gözönüne alınırsa ışıma iyagramları arasınaki oranın belli bir eğere sabit kalığı söylenebilir. LED en akan akımın eğeri arttırılığına ışıma iyagramlarına her açı için aynı orana bir ışık şieti artışı sözkonusuur. Akım eğiştiğine ışıma iyagramınaki seçicilikte bir eğişiklik olmamaktaır. Ancak akım arttırılığına ışık şietinin büyük eğerler alığı açılar arasına ışıma iyagramına küçük akımlara bulunabilen farklılıklar a artmaktaır. Küçük akım eğerlerine ışıma iyagramınaki kazancın büyük oluğu açılara farkeilemeyecek ölçüe bir çukurlaşma varsa bu çukurlaşmalar büyük akım eğerlerine aha belirgin olmaktaır. Büyük akımlara belirginleşen ışıma iyagramınaki sözkonusu algalanmalar akımın eğerine bağlı eğilir. Yani ilgili açılara a eğişik akımlar için ele eilmiş ışıma iyagramları arasınaki oran belli eğere kalığınan sözkonusu çukurlaşmalar akım arttığı için ortaya çıkmamaktaır. Saece küçük akımlara ışıma iyagramına böyle bir algalanma varsa akım arttığına bu algalanma a iğer açılar için e geçerli olan orana artmaktaır. Büyük akımlara belirginleşen ışıma iyagramınaki bu algalanmalar LED in optik yapısınan kaynaklanmaktaır. Ele eilen ışıma iyagramlarının çeşitli bölgelerinen kesitler alınırsa Şekil 13 e gösteriliği gibi eğişik şiete ışınlar meyana gelmekteir. LED in sözkonusu yüksek akım eğerlerine kullanılığı optoelektronik sistemler tasarlanırken bu urum hesaba katılmalıır. Şekil 13 e gösterilen h1 ve h nin birbirine oranı (h1/h) LED lerin tipine göre eğişebilmekteir. (a)

15 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: 33 (b) Şekil 1. (a) Değişik akımlar için ışıma iyagramları, (b) Işık şieti oranları 3. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Bu çalışmaa LED lerin arbeli akıma aşırı akım eğerleriyle sürülmeleri urumuna ortaya çıkan bazı özellikleri incelenmiştir. Bu özellikleren biri LED in elektriksel karakteristikleriyle ilgiliir. LED in ani irencinin (akım arbesinin LED üzerine oluşturuğu arbe şeklineki gerilimin genliğinin akım arbesinin genliğine oranı) eğişimi inceleniğine belli eğereki bir akıman sonra LED in temas ve göve irençleriyle belirlenen eğere bir irenç gibi avranığı görülmüştür. Belli bir akıman sonra LED in akım ve gerilimi arasınaki bağıntı üssel eğil, oğrusal olmaktaır. Ayrıca LED irencinin akım arttıkça üşmesi neeniyle jonksiyona harcanan ısıl gücün artış hızı a akım arttıkça azalmaktaır. LED en akıtılabilecek akım arbesinin en büyük genliği belirlenirken bu etki e gözönüne bulunurulmalıır. LED in nominal oğru akımının ne kaar üzerine akım arbesi akıtılabileceğini veren Eşitlik 7 nin, akım arttıkça LED in gösteriği ani irencin azalması neeniyle eğişeceği ve sözkonusu etkiyi içeren Eşitlik 9 un arbeli yüksek akımlara kullanılabileceği gösterilmiştir. Darbeli yüksek akımlara LED in ışık şietinin akımla eğişimi tasarlanan ölçme evresi ve ölçme üzeneğiyle incelenmiştir. Bu eğişime, belli bir akıman sonra LED in ısınmasınan olayı oluşan ısıl etki görülmekteir. LED ısınıkça ışık şieti üştüğünen, belli bir arbe süresine sahip akım arbesinin genliğinin belli bir eğerinen sonra ışık şietinin akımla artış oranı belirgin bir şekile azalmaktaır. Darbeli yüksek akım eğerlerine akım arbesinin genliği sabit tutulup arbe süresi arttırılırsa yine arbe süresi arttıkça LED aha çok ısınığınan arbe sonuna oluşan ışık şietineki üşme artmaktaır.

16 Sayfa No: 34 Erem ÖZÜTÜRK h1 A1 A1 A A h P1 A1 P A1 A1-A1 kesiti P3 A-A kesiti A A Şekil 13. Işıma iyagramınan bazı kesitler LED in arbeli yüksek akımlara belirginleşen özelliklerinen biri e ışıma iyagramlarına ortaya çıkmaktaır. Değişik genliklereki arbeli akımlar için ışıma iyagramları çiziliğine akım arttıkça ışıma iyagramlarına görülen çukurlaşma aha çok belirgin olmaktaır. Düşük genlikli akım arbeleri için çizilmiş ışıma iyagramlarına ise bu çukurlaşma belirlenemeyecek kaar az olmaktaır. LED in arbeli yüksek akımlarla sürülmesi ile ilgili uygulamalara ışıma iyagramlarına yüksek akım eğerlerine ortaya çıkan bu özelliği ikkate alınmalıır. Yüksek ışık şieti ele etmek üzere LED in arbeli yüksek akımlara kullanılmasının gerektiği uygulamalara uygun bir LED seçmek için LED in arbeli yüksek akımlara ne gibi özellikler gösteriğinin bilinmesi gerekir. Öncelikle seçilen LED in belli bir akım için veriği ışık şietinin eğeri fazla olmalıır. Belli bir besleme gerilimi ve belli bir anahtarlama evresi ile LED en aha fazla akım akıtabilmek için LED in yüksek akımlara etkili olan göve ve temas irençlerinin eğeri küçük olmalıır. Aksi takire anahtarlama evresini besleyen gerilimin arttırılması gerekir. LED in arbeli yüksek akımlara ısıl yapısı a etkili oluğunan seçilecek olan LED in birtakım ısıl parametrelerinin e uygun olması gerekir. Jonksiyon sıcaklığının fazla yükselmemesi için özellikle jonksiyonan kılıfa kaar olan bölgenin ısıl eylemsizliğinin yeterince fazla olması gerekmekteir. Jonksiyonan kılıfa kaar olan bölge ile kılıftan

17 Fen ve Mühenislik Dergisi Cilt : 4 Sayı : 1 Sayfa No: 35 çevreye kaar olan bölgenin ısıl zaman sabitleri ne kaar büyük olursa LED o kaar aha az ısınacaktır. Darbeli yüksek akımlara kullanılmak üzere seçilmiş olan bir LED kullanılmaan önce bu LED in yüksek akım eğerlerine ne gibi özellikler göstereceğinin bilinmesi gerekli olabilecektir. Bu takire istenen özelliklerin bulunması için gerekli ölçmeler yapılmalıır. Bu amaçla buraa verilen ölçme evreleri ile ilgili yöntem ve bağıntılaran yararlanılabilir. KAYNAKLAR Bhattacharya P. (1997): Semiconuctor Optoelectronic Devices, USA, Prentice-Hall, p Boylesta R., Nashelsky L. (199): Electronic Devices an Circuit Theory, USA, p Daviov P. D. (1967): Yarıiletken Elemanların Isıl Prensiplerinin Analizi ve Hesaplanması, Moskova, Energiya, s Hall V. D. (1994): Mikroişlemciler ve Sayısal Sistemler, Eskişehir, Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları, s.7. Hickman I. (1995): Reflections on Optoelectronics, USA, Electronics Worl+Wirelles Worl, p Hickman I. (1997): A Look at Light, USA, Electronics Worl+Wirelles Worl, p Kuntman H. H. (1994): Enüstriyel Elektronik, İstanbul, Sistem Yayıncılık, s Leblebici D. (1996): Elektronik Devreleri, İstanbul, Seç Yayın Dağıtım, s Musayev E. (1997): Optoelektronik, Bursa, Uluağ Üniversitesi Basımevi, s.5. Özütürk E. (000): LED lerin Aşırı Darbe Akımına Çalışmasının Teorik ve Pratik Araştırması, Bursa, Uluağ Üniversitesi (oktora tezi), s Özütürk E.; Karlık S.E. (1998): Kızılötesi Işınlarla Açık Optik Ortama Bilgisayarlar Arası Veri İletimi, Bursa, Bursa 5. Bilgisayar-Haberleşme Sempozyumu, s Popov A.A., Shertsnev V.V., Yakovlev Y.P., Baranov A.N., Alibret C. (1997): Powerfull Mi-infrare Light Emitting Dioes for Pollution Monitoring, USA, Electronics Letters, p Watson J. (1988): Optoelectronics, U.K., Van Nostran Reinhol, p