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)

Sembolü:

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 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)

Şekil 3.21(a) ve (b)’ de gerilim uygulanan bir LED devresi ve ışık yayan diyodun tabii büyüklükteki resmi verilmiştir.

Diyot kristali, Şekil 3.21(c) ‘de görüldüğü 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 Şekil 3.21(d) ‘de 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 Şekil 3.21(b) ‘de gösterilmiş olduğu gibi devresine seri olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklüğü LED ‘in dayanma gerilimi ile besleme kaynağı gerilimine göre hesaplanır.

Örneğin:

Şekil 3.21(b) ‘deki devrede verilmiş olduğu gibi, 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; Şekil 3.22 ‘de görüldüğü gibi 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.

Şekil 3.22 – Led ışık şiddetinin akıma göre değişimi

Sıcaklık-ışık şiddeti bağıntısı:

Diyot ısındıkça, akım sabit kaldığı halde, verdiği ışık şiddeti Şekil 3.21(d) ‘de görüldüğü gibi 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 saattir. Şekil 3.23 ‘te, 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.

Şekil 3.23 – Led diyodun yayım gücünün zamana karşı değişimi

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 Şekil 3.24 ‘te görüldüğü gibi 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.

Şekil 3.24 – Opto elektronik kuplör.

Opto kuplör dere şeması Şekil 3.25 ‘te görüldüğü gibi çizilir. Burada LED ‘in doğru polarmalı, fotodiyodun ise ters polarmalı olduğuna dikkat edilmelidir. R1 ve R2 dirençleri koruyucu dirençlerdir.

“K” anahtarı kapatılarak giriş devresi çalıştırıldığında, çıkış devresi de enerjilenerek bir işlem yapar. Örneğin, devreye bir motorun kontaktarü bağlanırsa motor çalışır.

Şekil 3.25 – Opto kuplör ile bir kontaktörün çalıştırılması.

kaynak

Ampullerin Yapısı ve Çalışma Şekli

ışık sistemlerinin icadından önce, güneş battıktan sonraki ışık ihtiyacıinsanlar için büyük bir sorun olsa gerekti. Tabi ki mumlar, meşaleler,gaz lambaları gibi ilkel ışık sistemleri kullanılıyordu. Ama sizi oyıllara götürseler herhalde ampulsüz bir dünyaya pek desabredemezdiniz. Ampulün icat edilmesinden bugüne ışık sistemleri çokdeğişti. Desem ki size ampuller pek değişmedi. Çokta yalan söylemişolmam galiba.

Bu yazımda en basit ışık sistemi olan ampulleri anlatmaya çalışacağım.Fakat benim anlatacağım, hepimizin evinde bulunan klasik akkor telliampuller. Ampullere çok daha yakından bakmak isterseniz devam edin.

NASIL ÇALIŞIR?

Aslında ampullerin çok basit bir ışık sistemi yapısıvardır. Hepimiz biliriz ki üzerinden elektrik akımı geçen bir metaldirenç gösterir. Bu direnç karşısında ısınır. Bunu en yakın elektriksobalarında ve elektrik ocaklarında görebilirsiniz. İşte ampulde buprensibe göre çalışır. Ampulün içinde bulunan çok ince filamandediğimiz (çoğunlukla tungsten metalinden yapılmış) bir tel bulunur. Butelden geçen elektrik akımı sonucunda tel aşırı derecede ısınarak(yaklaşık 3000 C) ışık yaymaya başlar.

Ampulün yapısına bakacak olursak, içi argon gazıyla dolu armut şeklindebir camdan yapıldığını görürüz. İçinde elektrik akımının geçtiği kalıniki tane tel vardır. Bu tellerin ucunda iki tel arasında ise filamanbulunur. Filamanı tutan ayrıca iki veya daha fazla destek tellerivardır. Akım ve destek telleri cam bir kaideye tutturulmuştur.

Akım tellerinin birisi ampulün altındaki noktaya,diğeri ise vidalı kısmın yan tarafına bağlıdır. Elektrik bu noktalardantemin edilir.

Filamanlar tungsten metalinden yapılırlar. 60 Watt ‘lık bir ampuldebulunan filamanın boyu yaklaşık iki metredir. Çift sarmallı olarakyapıldıkları için boyu size kısa gelebilir. Bunu aşağıdaki filamanınbüyültülmüş resminden daha iyi anlayabilirsiniz.

NEDEN TUNGSTEN METAL?

Ampulün içindeki filamanın yüksek sıcaklığa ulaşarakışık yaydığını artık biliyoruz. Bir filamanın bu denli yüksek birsıcaklıkta erimemesi lazımdır.

İlk ampullerde kullanılan karbon filamanlar 2100 Cüzerindeki sıcaklıklarda buharlaşarak inceliyor ve kopuyordu. Dahadüşük bir sıcaklık loş bir ışık; daha yüksek bir sıcaklık ise filamanınerimesi demekti.

Tungsten filamanlar ise yüksek erime derecesiyle(3410 C) ampullerde kullanılabilecek en iyi metaldir. Yüksek ısıderecesinde parlak ışık verebilmektedir. Bununla beraber tungstenfilaman da bir gün incelecek ve kopacaktır.

NEDEN ARGON GAZI?

Yanmanın gerçekleşebilmesi için ısınan bir cisim veoksijen gazı gereklidir. Oksijen gazı yoksa yanma gerçekleşmez. Buyüzden ilk ampullerde, ampulün içindeki hava vakum ediliyor ve nerdeyseoksijen gazı olmuyordu. Böylece içerdeki filaman yanıp kül olmuyordu.

Tungsten filamanlı ampullerde şu problem ortayaçıktı: Tungsten filaman yüksek sıcaklıkta buharlaşmaya başlıyordu. Bubuhar vakumsuz, havasız bir ortamdan dolayı ampulün iç yüzeyinde bir istabakası oluşturuyordu. Bu da zamanla ampulüm kararması ve ışığıhapsetmesi demekti.

Bu yüzden kullandığımız modern ampullerin içerisineargon gazı doldurulmaktadır. Argon gazı ampulün zamanla kararmasınıönlemektedir.

AMPULÜN HİKAYESİ

Burada uzun uzadıya tarihçe anlatmayacağım size.Ampulle ilgili olarak pek çok kişi tarihte çalışmalar yapmıştır. Fakatyapılan ampuller çok kısa ömürlü olmuşlardır. Size iki kişidenbahsedeceğim. Birisi İngiliz Joseph Swan ve diğeri ise (sanırımhepinizin en çok duyduğu isim) Amerikalı Thomas Edison. Şaşırtıcı birşekilde her ikiside birbirinden habersiz, 1878-1879 yıllarında, o zamangöre uzun dayanan (yaklaşık 12-13 saat) ampulleri yapmışlardı.Ampullerinde kullandıkları tel ise kömürleşmiş pamuk lifiydi. Yanikarbon elementiydi. Daha sonra 1880 yılında Edison kömürleşmiş bambulifinden 40 saate kadar dayanan ampulünü yaptı.

Edison’un ampullerindeki sorun filaman telininömrünün kısa olmasıydı. Kullandığı karbon lifleri 2675 C ‘de ışıksaçıyordu. Bu karbon lifleri kısa sürede buharlaşarak inceliyor vekopuyordu. Çözüm düşük sıcaklıktı, fakat buda az ve loş ışık demekti.

Diğer mucitlerde çalışmalarını sürdürdüler. 1898 ‘deKarl Auer filaman olarak erime derecesi 2700 C olan osmiyumu kullandı.1903 ‘de Siemens ve Halske tantalumu kullandı. Erime noktası 2996 Cidi. Fakat hiçbirisi bugün kullandığımız ampul değildi.

Nihayet 1906-10 yıllarında General Electric Firmasıve William Coolidge bugünkü modern ampullerde kullanılan tungstenfilamanlı ampulü geliştirdiler. İşte o gün bu gündür bu ampullerikullanıyoruz.

AMPUL AVANTAJLI MI, DEĞİL Mİ?

Birazda akkor telli ampullerin avantajlarına ve dezavantajlarına değinelim:

Avantajları:

– Yaygın kullanım alanı ve düşük maliyet

– Kolaylıkla elektrik sistemlerine bağlanabilmesi

– Ufak araçlara uyumluluğu

– Düşük voltajlarda, örneğin pillerle bile çalışabilmesi

– Çok değişik şekillerde ve boyutlarda olabilmesi

Dezavantajları:

– Tek dezavantaj olarak, elektrik enerjisinin sadece%10 kadarını ışığa çevirdiğini, geri kalanını ise ısı enerjisineçevirdiğini söyleyebilirim.

Başka bir dezavantajı varsa bile pek de haksızlık etmemek lazım ampullere