IŞIK YAYAN DİYOTLAR LED IŞIK KAYNAKLARI. Dr. Cenk YAVUZ

Transkript

1 IŞIK YAYAN DİYOTLAR LED IŞIK KAYNAKLARI Dr. Cenk YAVUZ

2 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ LED = LIGHT EMITTING DIODE TÜRKÇESİ IŞIK YAYAN DİYOT

3 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ HENRY ROUND LED E TEĞET GEÇEN ADAM

4 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ Marconi nin, ki Marconi Radyonun mucididir, asistanlığını yapan Round, radyo devreleri üzerinde çalışırken silisyum karbür temelli diyotlardan belli gerilim seviyelerinde çalışırken gözle zorlukla ayırt edilebilecek ışık çıktığını tespit ediyor. Düşük gerilimlerde sarımsı beyaz, biraz daha yüksek gerilimlerde ise sarı, açık yeşil, turuncu ve mavi rengin saçıldığını görüyor. Bu tespitlerini 1907 de Electrical World dergisinde 24 satırlık bir köşe yazısında paylaşıyor ama ne o ne de bir başkası bu konuyla bir daha ilgilenmeyince LED in mucitliği ünvanı Oleg Losev e kalıyor.

5 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ OLEG LOSEV LED İN MUCİDİ

6 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ Hiçbir zaman üniversite okuyamamış olmasına karşın bilim sevdalısı bir isim Losev. Yarı-iletkenlerle ilgili bir çok çalışması mevcut. Para kazanmak için Radyo Teknikeri olarak çalışan ama asla bilimden vazgeçmeyen bir genç. Genç diyoruz çünkü henüz 39 yaşında 2. Dünya savaşında vefat ediyor. Yaşasa neler olurdu tam bir soru işareti. Bir radyo kulesinde bakım yaparken ilk kez fark ediyor LED lerden ışık yayıldığını. Silisyum karbür temelli diyotların ışık yaydığını görmesi bir dönüm noktası oluyor hem o hem de insanlık tarihi için. Zaten elektroniğe bu kadar meraklıyken bu yaşama amacı haline geliyor. Bu tesadüfi buluşu üzerine çalışıyor ve 1927 de önce Rusya da sonra İngiltere ve Almanya da bu buluşunu makale olarak yayınlıyor. Araya 2. Dünya savaşının girmesi, ölümü LED teknolojisinin ilerlemesine balta vuruyor. Losev aynı zamanda ilk kararlı işlemsel kuvvetlendiricilerin, elektronik osilatörlerin ve uzun mesafeli radyo alıcılarının da mucididir.

7 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ JAMES BIARD GARY PITTMAN LED İN AMCALARI

8 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ Texas Instruments ın 2 genç mucidi. İlk ışık veren GaAs tabanlı LED i icad ediyorlar. Ama ışık insan gözünün görebileceği seviyede değil, infrared ışık. Yani şu anda uzaktan kumandalarda kullandığımız teknoloji. Tünel ve varaktör diyotlar ilk ışık yayan diyotlar 2 mucidin tespitine göre. İlk LED i yapıyorlar ama görünür ışık elde edemedikleri ve LED i bir aydınlatma aygıtı olarak hiç düşünmedikleri için bu konuda daha fazla araştırma yapmıyorlar. Zaten asıl hedefleri olan lazer geliştirmeye odaklanıp tıpkı Henry Round gibi LED teknolojisine teğet geçiyorlar. Biard ın Schottky Transistörü ve Yarıiletken ROM un mucidi olduğunu da paylaşmadan geçmeyelim.

9 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ NICK HOLONYAK LED İN BABASI

10 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ 1928 de doğduğunda Oleg Losev LED kavramını ortaya henüz atmıştı. Elektrik Mühendisi olan Holonyak General Electric te çalışmaya başladığında hali hazırda Doktorasını bitirmişti. Alçak gerilim elektrik devre elemanlarının geliştirilmesi konusunda çalışmakta olan ve Ordu ya bir çok iş yapmış bir Mühendisti. GE de infrared ışık veren LED lerin görünür kırmızı ışık vermesini sağlayan Ar-Ge çalışmalarını yaparak tarihe geçti. Doktora Danışmanı John Bardeen in transistörün mucidi ve süperiletkenlik teorisinin fikir babası olduğunu söylemek Holonyak'ın potansiyelini ortaya koymaya yetecek gerçeklerdir. Holonyak Bardeen in ilk Doktora öğrencisiydi. Hiç Nobel ödülü kazanamadı. Şu anda 87 yaşında ve Illinois Urbana Üniversitesinde araştırmacı Profesör olarak çalışmaya devam ediyor. Doktora öğrencileri LED in ticari gelişimine önemli katkılarda bulundu.

11 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ SHUJI NAKAMURA MODERN LED İN BABASI

12 LED İN BULUNUŞ ÖYKÜSÜ Günümüzde ticari bir aydınlatma aygıtı halini alan MODERN LED in babası ise Shuji Nakamura dır. Nakamura 1977 de Üniversite yi bitirdikten sonra Nichia şirketinde çalışmaya başlamıştır. Burada LEDler üzerine çalışırken Önce Mavi sonra Beyaz LEDi GaN (Galyum Nitrid) tabanlı olarak üretmeyi başarmıştır. Özellikle Mavi LED buluşu 2014 te Nobel Ödülü kazanmasını sağlayan çalışmasıdır. LED lerle ilgili 40 ın üzerinde patenti vardır. Buluşlarını Nichia nın sahiplenmesi üzerine şirketten ayrılmış ve Nichia ile mahkemelik olmuştur. İlerleyen senelerde Nichia kendisine 180 milyon dolar tazminat ödemek zorunda kalmıştır. Kendisi 2005 te ABD vatandaşlığına geçmiş olup halen Santa Barbara Üniversitesi nde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır. HD DVD ve Blue-Ray oynatıcıların içindeki mavi lazerin de mucididir.

13 LED İN İÇ YAPıSı VE ÇALıŞMA PRENSİBİ

14 LED İN İÇ YAPıSı VE ÇALıŞMA PRENSİBİ LEDler çeşitli boyutlarda (1-1,9-2-2, mm vb.) üretilirler ma gibi çok az bir akımla çalışabildiklerinden ve sarsıntılara dayanıklı olduklarından her türlü kullanımda karşımıza çıkabilir.

15 LED İN İÇ YAPıSı VE ÇALıŞMA PRENSİBİ Işık, bir yarı iletkende, P tipi madde içine enjekte edilen bir elektronun oyukla birleşmesi ya da N tipi madde içine enjekte edilen bir oyuğun elektronla birleşmesi sonucunda oluşur. Bu olaydaki temel esas, elektronların enerji kaybının, ışıma olarak ortaya çıkmasıdır. Çalışma prensipleri LED yongası üzerinden akım aktığında doğrudan foton (ışık) üreten bir yarı-iletken teknolojisine dayanır.

16 LED İN İÇ YAPıSı VE ÇALıŞMA PRENSİBİ 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).

17 LED İN İÇ YAPıSı VE ÇALıŞMA PRENSİBİ LED lerle beyaz ışık üretmek iki yöntemle mümkündür. Bunlardan birincisi; kırmızı, yeşil ve mavi üç adet LED yongasını bir kılıf içerisinde kullanarak beyaz ışığı elde etmektir. İkinci yöntem ise mavi LED yongasında üretilen ışığın bir fosfor tabakasını uyararak beyaz ışık üretilmesidir.

18 LED İN İÇ YAPıSı VE ÇALıŞMA PRENSİBİ LED diyotların yapısında kullanılan galyum arsenik (GaAs), galyum arsenik fosfat (GaAsP), galyum fosfat (GaP), çinko, nitrojen vb. gibi maddelere göre ortaya çıkan ışığın rengi de farklı olmaktadır. Yani, yarı iletken içine yerleştirilen elementler LEDin yaydığı ışığın rengini belirlemektedir. Yeşil renk veren LEDlerin içinde nitrojen bulunmaktadır. Nitrojen miktarı arttırıldıkça sarı olmaktadır. Kırmızı renk elde etmek için ise çinko ve oksijen kullanılmaktadır.

19

20

21 LED ELEKTRONİĞİ LEDlerin direnci dinamiktir. Yani bu direnç üzerinden geçen akıma göre değişir. Bu yüzden LEDi bir akım kaynağına doğrudan bağlarsak kısa devre olur. Bu nedenle devreye seri bir direnç bağlamak gerekir. Yüksek DC gerilimlere bağlanacak LEDlere seri olarak ön direnç bağlanır. Bir elektronik eleman olan LEDlerin ticari yolculuğu da bu noktada başlar. DC gerilimde çalışan LEDleri evlerdeki E27, E10, E14 duylara adapte etmek, tüp ve simit flüoresanların yerine kullanmak ve dış aydınlatmada bir seçenek haline getirebilmek için LEDleri AC Gerilimde kullanılabilir hale getirmek gerekir. Bu da ancak elektronik sürücü devreleri ile mümkün olabilmektedir. Gerilim değişikliği, akım sınırlama ve ayarı, elektronik loşlaştırma gibi özellikler sürücü devrelerinde bulunmaktadır. Dolayısıyla LEDleri günlük hayatta çalıştırabilmek için önemli bir elektronik altyapısına, loşlaştırma ve diğer kontrol işlemleri için ise önemli bir güç elektroniği bilgisine ihtiyaç vardır.

22 LED ELEKTRONİĞİ

23 LED VE SOĞUTMA KONUSU LED lambalar elektronik elemanlar oldukları için ticari ve aydınlatma amaçlı kullanılacaklarsa PCB ler üzerine monte edilerek kullanılırlar. Tek bir LED 700 ma e kadar akım çekebildiği için hem LED paketinin hem PCB nin hem de jonksiyon noktası dediğimiz lehim noktalarının aşırı ısınması söz konusudur. Bu ısınmanın önüne geçmek için PCB materyalinin ısıyı iyi dağıtan ve LED paketinin aşırı ısınmasını engelleyen bir malzeme olması gerekir. Sadece bu yeterli değildir. PCB nin ve sürücünün monte edildiği yüzeyler de ısının dağıtılması yani diğer bir deyişle LED in soğutulmasına yardımcı olacak nitelikte olmalıdır. Ticari LEDler kullanılmaya başlandığından beri soğutma konusu hep en büyük sorun olarak var olmaya devam etmiştir.

24 LED VE SOĞUTMA KONUSU Soğutma ilk etapta aktif olarak yapılmaya çalışılmışsa da soğutma elemanlarının mekanik, gürültülü ve kirlenmeye yatkın yapısı verim vermemiştir.

25 LED VE SOĞUTMA KONUSU Pasif soğutma aktif soğutmanın önemli bir alternatifi olarak ortaya çıkmıştır. Metal özellikle de alüminyum kullanarak soğutma yapma fikri üzerinde her daim çalışılarak günümüzde mükemmelleşmeye yakın bir seviyeye getirilmiştir. Pasif soğutmada amaç ısı iletim katsayısı yüksek, yüzey alanı geniş bir metalle LED paketi ve sürücü devresini bozulmaya sebep olacak ısınmadan korumaktır.

26 LED VE SOĞUTMA KONUSU

27 LED VE SOĞUTMA KONUSU Günümüzde Alüminyum yerine farklı metallerle denemeler yapılmış olsa da hem maliyet hem de soğutma performansı bakımından Alüminyum soğutuculardan vazgeçilememiştir. Metal yerine başka bir soğutucu kullanma fikri ise ısı iletim ve soğutma kapasitesi son derece yüksek olan farklı Polimer malzemeler kullanılmasıyla son 1-2 senede gündeme gelmiş olsa da henüz popülerleşmemiştir.

28 LED ARMATÜRLER LEDlerle ilgili başka bir önemli konu da LEDlerin ışığın kullanım amacına göre yönlendirilmesidir. Bu sebeple Led paketlerinin optik anlamda iyi tasarlanmış armatürler ve lenslerle kullanılması şarttır. Günümüzde çok parlak ışık veren yüksek güçlü LEDler yerine Mid-range ya da Midpower denilen LEDler tercih edilmeye başlanmıştır. Bu da onlarca LEDin tek bir armatür içinde kullanılabilmesine olanak tanımıştır. LED armatür tasarımında bu onlarca LEDin kullanıcı tarafından görülmesini engelleyecek ancak armatür içinden ışık çıkışını da maksimum düzeyde sağlayacak lensler-difüzörler kullanılması çok önemli bir yer tutmaktadır. LEDlerin çıplak etkinlik faktörleri (lm/w) değerleri ne kadar yüksek olsa da armatür içine girdiklerinde artık armatürün etkinlik faktörünün ne olduğu önem taşımaktadır.

29 SONUÇ 1. LEDler çok az enerji ile çok yüksek ışık akısı verebilen ETKİN ışık kaynaklarıdır. 2. LEDler elektronik devrelerle kullanıldıkları için bakımsız ömürleri elektronik devre ve sürücülerinin ömrü kadardır. 3. LEDlerde günümüzde devam etmekte olan en büyük sorun soğutma sorunudur. 4. LEDlerin hangi armatür içinde ve nasıl bir tasarımla kullanıldıkları çok önemlidir. 5. LED armatürü hangi firmanın ürettiği ve kullandığı LED lambaların teknolojik menşei çok önemlidir. 6. LED sektöründe çalışmak istiyorsanız Aydınlatma Tekniğine hakim olduğunuz kadar Elektronik ve Güç Elektroniği konularına da hakim olmalısınız.

30 SABRINIZ İÇİN SONSUZ TEŞEKKÜRLER