Led sürücü ömürlerinin farklı çalışma koşulları altında incelenmesi
Lifetime analysis of led driver under different operating conditions
Yazar: HAKAN AKÇA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ADEM ÜNAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Yol aydınlatması = Road lighting

Özet:
Tez çalışmasında dış ortamda kullanılan LED armatürlerin farklı çalışma koşulları (LED çiplerin seri veya paralel bağlantısı, vb.) ve çevresel koşullar (rüzgar hızı, sıcaklık, vb.) altında LED sürücülerin ömür analizleri yapılmıştır. LED armatürler LED, optik lens, soğutucu ve LED sürücü bileşenlerinden oluşmaktadır. Armatür ömrü genel olarak LED ve LED sürücüye bağlıdır. Konvansiyonel ışık kaynakları ile karşılaştırıldığında LED'lerin göze çarpan özelliği uzun ömürleri olsa da LED sürücülerden dolayı bu süre değişebilmektedir. Bu nedenle LED armatürde ömür tayini yapılırken LED'lerin yanında bu sistemin bir parçası olan LED sürücülerin de göz önüne alınması gerekir. Üreticiler tarafından verilen teknik dokümanlarda bulunan ömür değerleri belirli sıcaklık, akım, gerilim, vb. koşullar için verilir. Gerçek uygulamada bu koşullar farklılık gösterdiği için ömür analizleri, çalışma koşulları ve çevresel koşullar göz önüne alınarak daha gerçekçi sonuçlar verecek şekilde yapılmalıdır. 
Bu tezde önerilen yarıiletken anahtar modeli ve ömür analiz yöntemi, malzeme özelliklerini ve gerçek malzeme boyutlarını kullanan sonlu elemanlar analizine (SEA) dayanmaktadır. Bu tez farklı çalışma koşulları ve çevresel koşullar altında elektriksel, termal ve mekanik performansları inceleyen yenilikçi yaklaşımın LED sürücülerde kullanılması yönünden literatüre katkı sağlayacak bir çalışmadır. Tezde, LED bağlantı şekilleri seri ve paralel olarak dikkate alınarak yüksek ve düşük sürme gerilimleri altında hem LED hem de LED sürücü yarıiletken anahtarının ve kondansatörünün elektriksel ve termal performansı incelenmiştir. Bunun yanında farklı iklim koşullarına sahip farklı yerler için (İstanbul ve Burdur) gerçek ortam sıcaklığı, rüzgâr hızı ve aydınlatma süreleri dikkate alınarak tasarlanan LED sürücü yarıiletken anahtarının elektriksel, termal ve mekanik performansı analiz edilmiş ve bu koşullar altında yarıiletken anahtar ömrü incelenmiştir. Buna ek olarak LED armatürde kullanılan LED bağlantı şekillerinin de elektriksel ve termal açıdan sistemi etkilediği görülmüştür. LED'lerin paralel bağlanması güvenlik ve maliyet açısından avantaj sağlarken seri bağlanması güç kayıplarının azalması ve homojen sıcaklık dağılımı sağlamaktadır. Farklı iklim koşullarına sahip iki farklı yerde LED sürücü ömrü farklı çıkmıştır.
Önerilen yaklaşım farklı alanlarda uygulanabilir özelliktedir. Ayrıca tez aşmasında kurulan deney düzeneği, elektronik devreler ve yazılımlar lisans ve lisansüstü düzeydeki çalışmalarda kullanılabilecek özelliktedir. LED sürücü ömürleri üzerine olan bu tez özellikle Türkçe literatüre katkı yapan özgün bir içerik olarak değerlendirilebilir.

Abstract:
In this thesis, lifetime evaluation of outdoor LED luminaires were analyzed under different operating (serial and parallel LED connection, etc.) and environmental conditions (wind speed, ambient temperature, vb.). LEDs, optical lens, heatsink and LED drivers are the fundamental components of LED luminaires. Luminaires' life generally depends on LEDs and LED drivers. Although LEDs have a long lifetime when compared to other conventional light sources, this life time can vary depending on LED drivers. For this reason, while analyzing lifetime of LED luminaires, it is necessary to consider not only LEDs but also LEDs drivers that are the essential part of these systems. The maximum lifetime in datasheets are given by manufacturer under certain conditions. Because these conditions can differ in practice, lifetime analysis should be carried out considering operating and environmental conditions for more realistic results.
The proposed semiconductor switch model and lifetime analysis method in this thesis are based on finite element analysis (FEA) which uses the actual material properties and dimensions. A novel approach which study electrical, thermal and mechanical performances of LED drivers under different operating conditions and environmental conditions is presented in this thesis. The electrical and thermal performance of both LED and LED driver's semiconductor switch and capacitor under high and low driving voltages have been investigated taking into account the LED connections in series and parallel. Besides, the actual ambient temperature, wind speed and lighting times of two different climatic conditions are taken into account, and the electrical, thermal and mechanical performance of the designed LED driver semiconductor switch has been investigated and the semiconductor switch lifetime of the LED driver has been obtained considering material properties under different operating and environmental conditions. In addition, LED connection used in LED luminaire have been found to affect the system both electrically and thermally. The parallel connection of the LEDs provides an advantage in terms of safety and cost, while the serial connection provides reduced power losses and homogeneous temperature distribution. In two different locations with different climatic conditions, LED drive life is different.
As a result, the proposed approach is feasible in different areas. The experimental setup, electronic circuits and software developed in this thesis can be used both undergraduate and graduate level studies. This thesis on LED driver lifetimes can be considered as an original content especially contributing to the Turkish literature.