Led (Opto Elektronik)

Led ismi, İngilizce Light Emitting Diode (Işık Yayan Diyot) kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır.

Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratik olmalarının yanı sıra oldukça ucuz olmaları nedeniyle indikatör (gösterge) olarak diğer tip lambaların yerini almışlardır. Piyasada çok değişik şekil, ebat, renk ve fiyatta LED bulunduğundan herhangi bir devrede ne tip bir led kullanılabileceği, genellikle bir soru işareti oluşturmaktadır. Burada LED`ler ile ilgili bazı aydınlatıcı bilgi verilmeye çalışılmıştır. Böylece LED seçiminde kolaylık sağlayacağını umuyoruz.

Işık yayan diyotlar, ilk olarak 1954 yılında bulunmuştur. Galyum Fosfat (GaP) ile yapılmış bir diyotun, iletim yönünde akım geçirildiğinde kırmızı bir ışık yaydığı fark edilmiştir. Böylece bir yarıiletken ışık kaynağı keşfedilmiştir, ancak yarıiletkenlerdeki ışık yayımının fiziği pek anlaşılamadığı ve seri üretim için yeterli teknolojik düzeye erişilemediği için led `ler yakın zamana kadar pek popüler olamamışlardır. Bu sorunların aşılmasından sonra led’ler inanılmaz bir şekilde kendilerine çok geniş bir uygulama alanı bulmuşlardır.

İlk led`ler TO-18 transistör kılıfı içerisinde ve uçları şeffaf plastik mercek şeklindeydi. Mevcut ışık rengi sadece kırmızıydı ve verim, yani uygulanan güce karşı elde edilen ışık miktarı son derece yetersizdi.

Zamanla yarıiletkenlerde yayılan ışık ile ilgili teorik bilgiler geliştikçe GaP diyotlarından yayılan kırmızı ışığa, bu yarıiletken madde içerisinde bulunan çinko ve oksijen atomlarının sayesinde oluştuğu anlaşılmıştır. Daha saf GaP maddesiyle yapılan Led`lerin, bu sefer yeşil bir ışık yaydıkları gözlenmiştir. Daha sonra ise çok çeşitli yarıiletken maddeler denenmiş ve kullanılmıştır. Günümüzde ise en çok kullanılan madde ise Galyum Arsenit Fosfat (GaAsP) `tır. Bu maddenin avantajı, arsenik ve fosfat oranlarını değiştirmek suretiyle infraruj (infra-red) ile yeşil arasında pek çok renk elde edilebilmesidir.

Günümüzde kullanılan Led`ler arasında en popüleri, kırmızı olanıdır. Bu tip led `ler GaAs0,6P0,4 formülü ile yapılmaktadır. Yani As : P oranı 6 : 4`tür. Kırmızı Led`ler yapımı en kolay, dolayısıyla en ucuz, bunun yanında da verimi en yüksek olanlarıdır. Yeşil Led `ler ise verimi en düşük LED çeşididir. Ancak bu dezavantajı insan gözünün yeşile kırmızıdan daha hassas olması nedeniyle ortadan kalkmaktadır.

Herhangi bir uygulama için renk seçimi yaparken bazı hususlara dikkat edilmelidir. Kırmızı, genellikle ikaz devreleri için tercih edilmelidir. Ancak sarı, turuncu ve yeşil Led`ler, diğer bazı amaçlar için daha estetik olabilmektedir.

Led seçiminde verim önemli bir faktördür. Yeşil ve sarı Led`lerin verimleri, kırmızı Led`lere nazaran daha düşüktür. Ancak pille çalışan küçük cihazlar dışında bu durum bir problem teşkil etmemekte, verim düşüklüğü biraz daha fazla güç tatbikiyle ortadan kalkmaktadır. Yeşil bir Led`den kırmızı Led`lerdeki kadar ışık elde edebilmek için iki katına yakın LED akımına gereksinim duyulmaktadır. Ancak şebekeden beslenen cihazlar için bu bir sakınca teşkil etmemektedir.

Işık Yayan Diyot (Led)

Işık yayan diyotlar, doğru yönde gerilim uygulandığı zaman ışıyan, diğer bir deyimle elektriksel enerjiyi ışık enerjisi haline dönüştüren özel katkı maddeli PN diyotlardır. Bu diyotlara, aşağıda yazılmış olduğu gibi, İngilizce adındaki kelimelerin ilk harfleri bir araya getirilerek LED veya SSL denir.

LED : Light Emitting Diode (Işık yayan diyot)

SSL : Sloid State Lamps (Katkı hal lambası)

Işık yayan diyotlar şu özelliklere sahiptir:

- Çalışma gerilimi 1.5-2.5V arasındadır (Kataloğunda belirtilmiştir),

- Çalışma akımı 10-50mA arasındadır (Kataloğunda belirtilmiştir),

- Uzun ömürlüdür (ortalama 105.000 saat),

- Darbeye ve titreşime karşı dayanıklıdır,

- Kullanılacağı yere göre çubuk şeklinde veya dairesel yapılabilir,

- Çalışma zamanı çok kısadır (nanosaniye),

- Diğer diyotlara göre doğru yöndeki direnci çok daha küçüktür,

- Işık yayan diyotların gövdeleri tamamen plastikten yapıldığı gibi, ışık çıkan kısmı optik mercek, diğer kısımları metal olarak ta yapılır.

1. Işık Yayma Olayı Nasıl Gerçekleşmektedir

Bilindiği gibi, bir PN diyoda, doğru polarmalı bir besleme kaynağı bağlandığı zaman, N bölgesindeki, gerek serbest haldeki elektronlar, gerekse de kovalan bağlarını koparan elektronlar P bölgesine doğru akın eder.

Yine bilinmektedir ki, elektronları atomdan ayırabilmek için, belirli bir enerji verilmesi gerekmektedir. Bu enerjinin miktarı iletkenlerde daha az, yarı iletkenlerde daha büyük olmaktadır. Ve bir elektron bir atomla birleşirken de aldığı enerjiyi geri vermektedir.

Bu enerji de maddenin yapısına göre ısı ve ışık enerjisi şeklinde etrafa yayılmaktadır.

Bir LED `in üretimi sırasında kullanılan değişik katkı maddesine göre verdiği ışığın rengi değişmektedir. Katkı maddesinin cinsine göre şu ışıklar oluşur:

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)

Diyot kristali gibi iki parçalı yapıldığında uygulanacak gerilimin büyüklüğüne göre kırmızı, yeşil veya sarı renklerden birini vermektedir.

Işık yayan diyot ısındıkça, ışık yayma özelliği azalmaktadır.

Bu hal etkinlik eğrisi olarak gösterilmiştir. Bazı hallerde fazla ısınmayı önlemek için bir soğutucu üzerine monte edilir.

Ayrıca LED `in aşırı ısınmasına yol açmamak için kataloğunda belirtilen akımı aşmamak gerekir. Bunun için devresine seri olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklüğü LED `in dayanma gerilimi ile besleme kaynağı gerilimine göre hesaplanır.

Örneğin:

Besleme kaynağı 9V `luk bir pil ve LED `de 2V ve 50mA `lik olsun.

R Direnci:

Kirşof kanununa göre: 9=I*R+2 `dir. I=0.05A olup

R=9-2/0.05 = 7/0.05 = 140 Ohm olarak bulunur.

140 Ohm `luk standart direnç olmadığından en yakın standart üst direnci olan 150 Ohm `luk direnç kullanılır.

2. Led İçindeki Elektrik - Optik Bağıntılar Akım-Işık şiddeti bağlantısı

LED diyodunun ışık şiddeti, içinden geçen akım ile doğru orantılı olarak artar. Ancak bu artış; akımın belirli bir değerine kadar doğrusaldır. Daha sonra bükülür.

Eğer diyoda verilen akım, eşik değeri adı verilen doğrusallığın bozulduğu noktayı aşarsa diyot aşırı ısınarak bozulur. Bu nedenle diyotlar kullanılırken, firmalarınca verilen karakteristik eğrilerine uygun olarak çalıştırılmalıdır.

Sıcaklık-ışık şiddeti bağıntısı:

Diyot ısındıkça, akım sabit kaldığı halde, verdiği ışık şiddeti küçülür.

Bu düşme diyodun cinsine göre şöyle değişir.

GaAs diyotta düşme: Her derece için %0,7

AaAsP diyotta düşme: Her derece için %0,8

GaP diyotta düşme: Her derece için %0,3

Normal çalışma şartlarında bu düşmeler o kadar önemli değildir. Ağır çalışma şartlarında ise soğutucu kullanılır veya bazı yan önlemler alınır.

Güç-zaman bağıntısı:

Işık yayan diyotların gücü zamanla orantılı olarak düşer. Bu güç normal gücünün yarısına düştüğünde diyot artık ömrünü tamamlamıştır.

Bir LED diyodun ortalama ömrü 105.000 saattir. LED diyodun yayım gücünün, normal şartlarda (IF=100mA, T ortam=25°C iken,) zamana göre değişim eğrisi verilmiştir. Bu tip değerlendirmede, gücün düşme miktarı direk güç değeri olarak değil de, normal güce oranı olarak alınmaktadır.

3. Işık Yayan Diyodun Verimi

Işık yayan diyodun verimi; yayılan ışık enerjisinin, diyoda verilen elektrik enerjisine oranıyla bulunur. Diyoda verilen elektrik enerjisinin hepsi ışık enerjisine dönüşmemektedir. Yani harekete geçirilen elektronların hepsi bir pozitif atom ile birleşmemekte, sağa sola çarparak enerjisini ısı enerjisi halinde kaybetmektedir.

4. Işık Yayan Diyotların Kullanım Alanları

Işık yayan diyotların en yaygın kullanılma alanı, dijital ölçü aletleri, dijital ekranlı bilgisayarlar, hesap makinaları ve yazıcı elektronik sistemlerdir. Bu kullanma şeklinde, çoklu ışık yayan diyotlardan yararlanılmaktadır. Bazı hallerde ışık yayan diyotlardan işaret lambası ve ışık kaynağı olarak da yararlanılır. Optoelektronik kuplör de bir LED uygulamasıdır.

5. Optoelektronik Kuplör

Optoelektronik kuplör veya daha kısa deyimle Opto Kuplör ya da Optik Kuplaj, bir ışık yayan diyot (LED) ile bir fotodiyot veya fototransistörden oluşmaktadır. Bunlar aynı gövdeye monte edilmişlerdir. Gövde plastik olup ışık iletimine uygundur.

Işık yayan diyot genellikle Ga As katkı maddeli olup kızıl ötesi ışık vermektedir. Işık yayan diyodun uçları arasına bir gerilim uygulandığında çıkan ışık ışınları fotodiyot veya fototransistörü etkileyerek çalıştırmaktadır. Böylece bir devreye uygulana bir gerilim ile 2. bir devreye kumanda edilmektedir. Aradaki bağlantı, bir takım tellere gerek kalmaksızın ışık yoluyla kurulmaktadır. Bu nedenle, optoelektronik kuplör edı verilmiştir.

Optokuplör bir elektronik röledir.

Optokuplörün mekanik röleye göre şu üstünlükleri vardır:

-Mekanik parçaları yoktur,

-İki devre arasında büyük izolasyon vardır,

-Çalışma hızı çok büyüktür.

Dezavantajları:

Gücü düşüktür.

(Teknik Yazılar / Arşiv)

www.teknikelektrik.com