DARBELİ AKIMLARDA LED AKIMININ NE ORANDA ARTTIRILABİLECEĞİNİ VEREN BAZI BAĞINTILARIN ÇOK YÜKSEK AKIMLARDA KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 Uluağ Üniversitesi Mühenislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 8, Sayı 1, 2003 DARBELİ AKIMLARDA LED AKIMININ NE ORANDA ARTTIRILABİLECEĞİNİ VEREN BAZI BAĞINTILARIN ÇOK YÜKSEK AKIMLARDA KARŞILAŞTIRILMASI Erem ÖZÜTÜRK * Özet: LED in ışık şieti içinen akan akımla orantılı oluğunan akım arttıkça aha fazla ışık şieti ele eilebilmekteir. Darbeli akıma arbe süresi ve boşluk süresi / arbe süresi oranı uygun oluğuna LED en nominal oğru akımının çok üstüne genliğe sahip akım arbeleri akıtmak mümkün olmaktaır. Bu çalışmaa, yüksek akımlara LED akımının LED gerilimi ile eğişimi ve LED in ani irecinin (LED üzerineki gerilim arbesinin genliği / LED en akan akım arbesinin genliği) akımla eğişimi incelenerek LED en nominal oğru akımının ne kaar üzerine genliğe sahip akım arbeleri akıtılabileceğine ilişkin bazı bağıntıların karşılaştırması yapılmıştır. Anahtar Kelimeler LED, ani irenç, arbeli akım, boşluk süresi / arbe süresi. The Comparison of Some Relations About Increasing of The LED Current Amplitue At Pulse Very High Currents Abstract: 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 electrical behaviour of LED at pulse high currents is investigate an some relations that give how much higher amplitue of currents can be passe through the LED accoring to LED s nominal current are compare. Key Wors: LED, instantaneous resistance, pulse current, (perio)/(pulse uration). 1. GİRİŞ Birçok uygulamaa LED in veriği ışığın şietinin mümkün oluğu kaar fazla olması gerekmekteir. 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 (Bhattacharya,1997), (Hickman,1995), (Hickman,1997). 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 süresi ve (arbe süresi) / (boşluk süresi) 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 (Daviov, 1967). Bu çalışmaa, nominal akımı 20 ma-400 ma eğerlerine olan LED leren, 10 A ve 15 A genlik eğerlerine kaar arbeli akımlar akıtılmış ve bu yüksek eğerli akımlara LED in elektriksel karakteristiğinin, (boşluk süresi) / (arbe süresi) ( T / t ) eğerine olan etkisi incelenmiş ve bu incelemeye göre arbe süresi yeterince küçük seçilmek koşuluyla LED in nominal oğru akımına ( I N ) nazaran ne orana aha fazla genliğe ( I ) sahip arbeli akım akıtılabileceği ile ilgili eğişik kaynaklara belirtilen * Uluağ Üniversitesi Mühenislik Mimarlık Fakültesi Elektronik Mühenisliği Bölümü 17

2 I T = IN (1) t T I = I N (2) t bağıntılarının karşılaştırması yapılmıştır. 2. LED İN YÜKSEK AKIM DEĞERLERİNDE ELEKTRİKSEL KARAKTERİSTİKLERİ Bu bölüme LED in yüksek akım eğerlerine akım-gerilim, akım-irenç karakteristikleri incelenecek ve bu eğişimlerin özelliklerine göre birtakım sonuçlar ele eilecektir. Ölçme Devresi LED in elektriksel karakteristiklerini incelemek amacıyla kullanılan ölçme evresi Şekil 1 e gösterilmiştir. Devree kullanılan osilatör 555 tümevresiyle oluşturulmuş, arbe süresi/ boşluk süresi oranı eğiştirilebilir bir arbe osilatörüür. C t zamanlama konansatörü, R A irenci ve iyot üzerinen akan akımla olmaktaır. Anahtar iyounun 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 555 tümevresinin 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 istenilen arbe ve boşluk süreleri ele eilmekteir. Osilatörün ürettiği işaret 3 nolu ucunan verilmekteir. Gürültü ve besleme kaynağınaki titreşimlerin etkisini azaltmak için 1 ve 5 uçları arasına 0,01µF lık bir konansatör bağlanmıştır. 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 tümevresinin 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. R ö irenci, uçlarınaki gerilim farkı ölçülerek, LED en akan akımın eğerinin bulunmasına kullanılan ölçme irenciir. R s ise, LED en akan en büyük akımın eğerini belirleyen akım sınırlayıcı irençtir. V DD geriliminin temin eiliği oğru akım güç kaynağı 34V 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 etkili olmaktaır. Çınlama olayına yol açan konansatör uçları ve evreeki bağlantı iletkenlerinen kaynaklanan enüktif reaktansı kompanze etmek için güç kaynağı uçlarına büyük ve küçük 18

3 Uluağ Üniversitesi Mühenislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 8, Sayı 1, 2003 eğerlere birkaç konansatör paralel bağlanmıştır (Hall, 1994). Örnek olarak, iki paralel konansatör için 470 µf ve 1 µ F eğerleri seçilebilir. 19

4 34V 15V R Ö R A R S R B C t Şekil 1. Ölçme evresi. Elektriksel Karakteristiklerin Ölçülmesi Ölçmeler Şekil 1 eki osilatör evresi kullanılarak yapılmıştır. Ölçmeler esnasına aynı Rö =1ohm luk ölçü irenci evree sürekli olarak seri bağlı uruma tutulmuştur. Akım arbesinin genliği, LED e eğişik eğerlere irençleri seri bağlayarak eğiştirilmiştir. Akım arbelerinin genliği 1 ohm luk sabit ölçü irenci uçlarınaki gerilim farkı osiloskopla 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 olarak 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 oluşan gerilim farkı yine osiloskopla ölçülmüştür. Şekil 2 e ört farklı kızılötesi ışık veren LED e, arbe şekline akan akımın tepe eğerinin, anot-katot geriliminin tepe eğerine göre eğişimi verilmekteir. LED lerin kimlikleri: 1 nolu LED LD 271 (Siemens), 2 nolu LED SLR 932 A (Sanyo), 3 ve 4 nolu LED ler TLHRS 101 (TFK (ITT)) şeklineir. 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 3 te, Şekil 2 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 iyoun eksponansiyel ifaeyle verilen akım-gerilim eğişimine benzeyecektir. Düşük akım eğerlerine LED akımı LED gerilimiyle üssel olarak eğiştiğinen, LED in ani irenci LED akımı arttıkça azalacaktır. Şekil 3 ten görülebileceği gibi, ani irencin en küçük bir sınır eğeri varır. Bu en küçük irenç eğeri, büyük ölçüe göve ve temas irençlerinen meyana gelmekteir (Boylesta ve Nashelsky, 1992). Şekil 3 teki 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 20

5 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 in gösteriği ani irencin 5A ve aha büyük akım eğerlerine sabit eğerini ( r b ) almaya başlaığı LED gerilimleri, Şekil 3 teki LED ler için yaklaşık olarak 3.46V, 4.83V, 5.14V ve 4.52V olmaktaır. LED e uygulanan elektriksel güç LED in gösteriği irenç üzerine harcanmaktaır. LED en akan akımın zamanla arbe şekline eğişim göstermesi urumuna ve arbe genliğinin I olması urumuna LED üzerine harcanan elektriksel güç P = r( I) I 2 eğerine olur. Buraa r ani irencin eğeriir ve r( I) şekline akımın bir fonksiyonuur. Şekil 3 te 5A e kaar olan LED akımları için r ani irencinin eğerinin akımla azalığı görülmekteir. r( I) nın akımla azalması neeniyle, LED e harcanan elektriksel güç belli bir akım sınırına kaar akımın karesinin arttığı orana artmamaktaır. 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 süresi ve arbe süresi / boşluk süresi 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. ri ( ) = r b oluğu akıman sonra ise ısıl güç yaklaşık olarak (optik güç ihmal) ri 2 b şekline eğişmekteir. Şekil 2. Dört farklı LED in gerilim-akım karakteristikleri. 21

6 Şekil 3 Dört farklı LED in ani irençlerinin akımla eğişimi. 3. BAĞINTILARIN KARŞILAŞTIRILMASI Yukarıa yapılan incelemelere 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 (1) ifaesi aha yüksek akımlara çıkılıkça eğişecektir. 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: 2 2 r ( I ) T = r ( I ) t (3) N N Yukarıaki bağıntıa r N, I N nominal oğru akımına görülen irenç, r ise I akımına görülen irençtir. T boşluk süresi, t ise arbe süresiir. (3) bağıntısınan I akımı çekilirse (4) bağıntısı ele eilir; T rn I = IN (4) 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 3 teki 4 nolu LED için ölçülen eğerleren yararlanılacak olursa ( I N = 256 ma e r N = 541. ohm, I =5,69A e r = ohm ur); rn 541. = 233. r olmaktaır.yani, bu örnekte irenç oranları gözönüne alınığına LED en yaklaşık iki kat aha büyük akım akıtmanın mümkün oluğu ortaya çıkmaktaır. Yukarıa ele eilen (4) bağıntısınan T/ t oranı çekilirse aşağıa verilen Q1 bağıntısı ele eilir: Q1= I 2 1 (5) IN rn / r Aynı oran (2) ifaesinen çekilirse; 22

7 (a) (b) (c) () Şekil 4. (a) TLHRS 101 (TFK (ITT)), (b) SLR 932 A (SANYO), (c) LD 271 (SIEMENS), () Diğer bir TLHRS 101 (TFK (ITT)) LED leri için üç farklı ifaeye göre T/ t eğişimleri. Q2= I (6) I N (1) ifaesinen çekilirse; Q3= I 2 (7) I N ele eilir. Son ifaeleren görülüğü gibi ( rn / r ) > 1 ve I > IN oluğunan Q3>Q2 ve Q3>Q1 ir. Dört farklı GaAs LED için Q1, Q2 ve Q3 ün akıma bağlı olarak eğişimleri Şekil 4 te gösterilmiştir. Sözkonusu şekileki grafikler ele eilirken, akım eğerleri olarak ( rn / r ) oranının hesaplanabiliği ölçülmüş olan eğerler kullanılmıştır. Her bir grafikteki üç farklı Q eğişimlerinin kesişim noktasınaki akım eğeri, nominal akım eğerine karşılık üşmekteir. 4. SONUÇ LED in elektriksel irencinin yüksek akımlara azalması şeklineki avranışı gözönüne alınarak (3) bağıntısınaki irenç oranlarının ne ölçüe etkili oluğu belirtilmiş ve (1), (2) ve (3) bağıntılarına göre boşluk süresi / arbe süresi oranının eğişimleri gösterilmiştir. Ele eilen eğişimlere bakılığına yüksek akımlara LED in en az ısınmasına yol açacak ( T / ) oranını veren bağıntının (1) bağıntısı oluğu ortaya t çıkmaktaır. LED in fazla ısınmaması ya a yanmaması için yukarıa belirtilen T / t oranının yeterli büyüklükte olması yanına arbe süresinin e yeteri kaar küçük seçilmesi gerektiğini buraa tekrar hatırlatmak gerekmekteir. 5. KAYNAKLAR 1. BHATTACHARYA, P. (1997) Semiconuctor Optoelectronic Devices, Prentice-Hall, USA,

8 2. BOYLESTAD, R. ve L. NASHELSKY. (1992) Electronic Devices an Circuit Theory, Prentice-Hall, USA. 3. BRADBURY, D. (1991) Sheing Light on Optoelectronics, Electronics Worl + Wireless Worl, DAVİDOV, P. D. (1967) Yarıiletken Elemanların Isıl Prensiplerinin Analizi ve Hesaplanması, Energiya, Moskova, HICKMAN, I. (1995) Reflections on Optoelectronics, Electronics Worl + Wireless Worl, HICKMAN, I. (1997) A Look at Light, Electronics Worl, HALL, V. D. (1994) Mikroişlemciler ve Sayısal Sistemler, Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları, Eskişehir, 7. 24