LED Diyot

Işık yayan diyotlar LED’ler ve enfraruj diyotlar olarak iki başlık altında incelenir.

LED DİYOT

LED nedir? (Işık yayan diyotlar), doğru yönde gerilim uygulandığı zaman ışıyan, diğer bir deyimle elektrik enerjisini, ışık enerjisi haline dönüştüren özel katkı maddeli PN diyotlardır.

Bu diyotlara, İngilizce kelimelerin ilk harfleri bir araya getirilmesi ile oluşmuş LED (“Light Emitting Diode” Işık yayan diyot) veya SSL (“Sloid State Lamps” Katkı hal lambası) denir. LED yarı-iletken, diyot temelli, ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır. LED diyot 1920’lerde Rusya’da icat edildi.

Günümüzde kullanılan ledler görünür ışık, morötesi, kızılötesi gibi çeşitli dalga boylarında, yüksek parlaklıkta ışık veriyorlar. LED’li aydınlatma da; diğer ampullerden daha az enerji kullanır. LED düşük enerji tüketimi, daha uzun ömrü, sağlamlığı, küçük boyutu ve hızlı açılıp kapanabilmesi gibi diğer ışık kaynaklarına göre daha avantajlıdır. Fakat LED fiyatları, nispeten pahalıdır. LED, farklı alanlarda uygulanmaktadır.

Farklı boyutlarda (1-1,9-2-2,1-3-5-10 mm vb.) LED diyot imalatı yapılır. 2-20 mAmper gibi çok az bir akımla çalıştıkları için ve sarsıntılara dayanıklı olduklarından bütün elektronik devrelerde kullanılır. LED diyot fiyatları da boyutlarına ve akımlarına göre değişir.

LED diyotlar doğru polarma altında çalışır. Farklı renk ve gerilimlerde üretilirler. Renklerine göre diyotların en düşük çalışma gerilimleri kırmızı için 1,5 volt, sarı için 1,8 volt, yeşil için 2,2 volttur. LED diyot 5 voltun üzerindeki gerilimlerde bozulur. Aşağıda led diyot sembolü görülmektedir.

Led diyotların çalışma akımları 10 mAmper ile 80 mAmper arasında imalat kalitesine göre değişir. Led diyotların renkleri katkı maddelerinin oranına bağlı olarak elde edilir. Mesela galyum – fosfat yeşil ve sarı ışık, galyum – fosfat içine çinko oksit eklenerek kırmızı ışık, galyum-arsenik kızıl ötesi yani gözle görülmeyen ışık verir.

Led Diyot Özellikleri

• Ledler yarı iletken malzemelerdir.
• Işık yayan diyotların ana maddesi silikondur.
• Üzerinden akım geçtiğinde foton açığa çıkararak ışık verirler.
• Çalışma gerilimi 1,5-2,5 Volt arasındadır. (Kataloğda belirtilir.)
• Çalışma akımı 10-50 mAmper arasındadır. (Kataloğda belirtilir.)
• Çalışma zamanı çok kısadır (nanosaniye).
• Farklı açılarda ışık verecek şekilde üretilmektedirler.
• Kullanılacağı yere göre çubuk şeklinde veya dairesel yapılabilir.
• Led diyotların gövdeleri tamamen plastikten yapıldığı gibi ışık çıkan kısmı optik mercek, diğer kısımları metal olarak da yapılır.
• Uzun ömürlüdür. (ortalama 100.000 200.000 saat)
• Darbeye ve titreşime karşı dayanıklıdır.
• Diğer diyotlara göre doğru yöndeki direnci çok daha küçüktür.
• Ledlerin gerilim-akım grafikleri üsteldir. Uygun çalışma noktasındayken ledin üzerindeki küçük bir gerilim değişimi büyük bir akım değişimine sebep olur. Yüksek akım sebebiyle bozulmaması için ledlere seri bir akım sınırlama direnci bağlanır. Böylece hassas olmayan gerilim aralıklarında ledin bozulması engellenir.
• Ledler aynı bir zener diyot gibi üzerinde sabit bir gerilim düşürür.

Ayrıca

• Kırmızı LED 2,20 Volt
• Yeşil LED 3,30 Volt
• Mavi ve Beyaz LED 3,40 Volt gerilimle çalışır.

LED Çalışma Prensibi

LED’e doğru polarma uygulandığında P maddesindeki oyuklarla N maddesindeki elektronlar birleşim yüzeyinde nötrleşir. Bu birleşme sırasında meydana gelen enerji ışık enerjisidir.  Bu ışığın gözle görülebilmesi için ise P ve N maddelerinin birleşim yüzeyine “galyum arsenid” maddesi katılmıştır. LED diyot doğru polarmalandırıldıkların da ışık yayan elektronik devre elemanlarıdır. Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratiktir. LED’lerin, dört renk seçenekleri mevcuttur. Sarı, yeşil, mavi ve kırmızı. Kullanım açısından pratik olan LED fiyatları ucuz olduğu için diğer lambaların yerini almıştır.

LED Diyot Bağlantı Şekilleri

Bağlantıların her birinde karışık led çeşitleri kullanılabilir. Her çeşidin kendine göre ileri ön-gerilimi vardır. Bundan dolayı böyle bir kullanımda bütün hesaplar ayrı ayrı yapılmalıdır.

Led lerin seri bağlantıda 20 mAmper altında ledin ileri ön gerilimi bilinmelidir. N tane led birbirine seri bağlandığında ledlerin üzerinde toplamda U_ledT = X * U_led (ya da U_ledT = U_led1 + U_led2 + … + U_ledN) Voltluk bir gerilim meydana gelir. Elimizde bir gerilim kaynağı olmalıdır. Devreye seri olarak bağlanan dirençte de geri kalan gerilim düşmelidir. Yani U_direnç = U_kaynak – U_ledT Led sisteminden 20 mAmper geçmektedir. Bu durumda direnç hesaplanabilir: R (K ohm)= U_direnç (V) / 20 (mA)

Seri ve paralel bağlantı

Işık Yayma Olayının Gerçekleşmesi

Bir PN diyoda, doğru polarmalı bir besleme kaynağı bağlandığında, N bölgesindeki, ister serbest elektronlar, isterse de kovalan bağlarını koparan elektronlar P bölgesine doğru hücum ederler.

Elektronları atomdan ayırmak için, belirli bir enerji verilir. Bu enerji miktarı iletkenlerde daha az, yarı iletkenlerde daha büyüktür ve bir elektron bir atomla birleşirken de aldığı enerjiyi geri verir. Bu enerji de maddenin yapısına göre ısı ve ışık enerjisi olarak çevreye yayılır.

Diyot firmaları tarafından bir LED ‘in üretimi sırasında kullanılan farklı katkı maddesine göre verdiği ışığın rengi değişir.

Katkı maddesinin cinsine göre meydana gelen ışıklar:

• GaAs (Galliyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ışık)
• GaAsP (Galliyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan – yeşile kadar (görülür)
• GaP (Galliyum Fosfat): Kırmızı (görülür)
• GaP (Nitrojenli): Yeşil ve sarı (görülür)

Led diyotlar farklı şekil ve büyüklükte ve iki veya üç renklide yapılabilir. İki renkli led diyotlarda aynı muhafaza içerisine, birbirine ters bağlı iki led diyot yerleştirilmiştir. Kırmızı-yeşil, sarı-yeşil gibi renkleri mevcuttur. İki ayrı led diyodun katot uçları birleştirerek anot uçları ayrı olacak şekilde bir muhafaza içine alındığında üç renkli led diyotlar elde edilir. Bu led diyotların renkleri kırmızı, yeşil veya ikisi beraber yandığında sarı olur.

Diyot kristali, iki parçalı yapıldığı zaman uygulanacak gerilimin büyüklüğüne göre kırmızı, yeşil veya sarı renklerden birini verir. Şekilde bir LED devresi ve ışık yayan diyot gösterilmiştir.

Aşağıdaki şekildeki gibi diyot kristali, iki parçalı yapıldığı zaman uygulanacak gerilimin büyüklüğüne göre kırmızı, yeşil veya sarı renklerden birini verir.

Işık yayan diyot ısındıkça, ışık yayma özelliği azalır. Bu durum aşağıdaki şekilde etkinlik eğrisi olarak gösterilmektedir. Bazı durumlarda fazla ısınmayı önlemek için bir soğutucu üzerine montajı yapılır.

Ayrıca LED’in aşırı ısınmasına yol açmamak için kataloğunda belirtilen akım aşılmamalıdır. Bunun için yukarıdaki şekil (b) de gösterildiği  gibi devresine seri olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklüğü LED’in dayanma gerilimi ile besleme kaynağı gerilimine göre hesaplanır.

Kirchoff kanununa göre: 9=I*R+2 ‘dir. I=0,05 Amper

R=9-2/0,05 = 7/0,05 = 140 Ohm olarak bulunur.

140 Ohm’luk standart direnç olmadığı için en yakın standart üst direnci olan 150 Ohm’luk direnç kullanılır.

Led diyotlara doğru polarma gerilimi verildiği zaman N tipi yarı iletkenden P tipi yarı iletkene doğru elektron akışı meydana gelir. P tipi yarı iletkenden N tipi yarı iletkene doğru ise oyuk akışı meydana gelir. Bu hareket sırasında açığa çıkan enerji ısı, ışık yayılmasına sebep olur.

Kullanım Alanları

Ledlerde mavi ışığın kullanılmasıyla RGB led ampul (Kırmızı- Yeşil- Mavi) aydınlatma mümkün olup çeşitli sektörde uygulama alanı vardır. Sinyalizasyon, aydınlatma sistemleri ve mimari aydınlatma alanlarında kullanılmaktadır. Ledlerin enerji sarfiyatları  düşüktür. Bunun nedeni kayıplarının az olmasıdır. Ömürlerinin uzun olmasından dolayı bu led ampul diğer ampuller gibi flaman taşımadıkları için kullanımda problem çıkarmazlar.

Aydınlatma değerleri beyaz renk için 140 Lümen/Watt, bazı prototiplerde 180 lümen/watt oranına yükselmiştir. Boğaziçi Köprüsü’nde ışıklandırmada da LED teknolojisi kullanılmıştır. LED’ ler üzerlerine, yaydıkları ışığın frekansı ile aynı veya daha yüksek bir frekansta ışık düşürüldüğü zaman foto diyot özelliği gösterirler. Bu özelliklerinden faydalanılarak elektronik cihazlarda tuş olarak da kullanılırlar. Makineler, dijital ölçü aletleri, dijital ekranlı bilgisayarlar, hesap makinaları ve yazıcı elektronik sistemlerde TV ve monitörlerde de kullanılmaktadır. Bazı durumlarda  ışık yayan diyotlardan işaret lambası ve ışık kaynağı olarak da yararlanılır. Optoelektronik kuplör de bir LED uygulamasıdır.

Optoelektronik Kuplör

Optoelektronik kuplör veya opto kuplör ya da optik kuplaj bir ışık yayan diyot (LED) ile bir fotodiyot veya fototransistörden meydana gelir. Bunlar aynı gövdeye montaj yapılmıştır. Gövde plastiktendir, ışık iletimine uygundur.

Işık yayan diyot Ga As katkı maddelidir. Kızıl ötesi ışık verir. Işık yayan diyodun uçları arasına bir gerilim uygulandığı zaman çıkan ışık ışınları fotodiyot veya fototransistörü etkileyerek çalıştırır.

Böylece bir devreye uygulanan bir gerilim ile 2. bir devreye kumanda edilebilir. Aradaki bağlantı, tellere ihtiyaç olmadan ışık yoluyla kurulur. Bundan dolayı optoelektronik kuplör denilmektedir. Optokuplör bir elektronik röledir.

Optokuplörün mekanik röleye göre avantajları:

• Mekanik parçaları yoktur.
• İki devre arasında büyük izolasyon mevcuttur.
• Çalışma hızı büyüktür.

Optokuplörün Dezavantajları:

• Gücü düşüktür.

Enfraruj Diyotlar

Galyum arsenit yarı iletken maddeden yapılan, doğru polarma altında çalışarak ışık yayan diyot çeşidine enfraruj diyot adı verilir.

Yarı iletkenlere çeşitli maddeler ilave edilerek gözle görülemeyen frekanslarda (kızıl ötesi) ışık yayan LED elde edilmiştir. PN birleşmesiyle elde edilen infrared LED’lere doğru polarma uygulandığı zaman, foton denilen birbirinden ayrı paketler hâlinde ışık enerjisi yayarlar. Dış görünüşleri  LED diyotlara benzeyen enfraruj diyotlar, uzaktan kumanda (müzik seti, TV, video, otomatik çalıştırılan endüstriyel makineler vb.) sistemlerinde kullanılmaktadır.