LED

LED (light-emitting diode, Işık Yayan Diyot), yarı-iletken, diyot temelli, ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır. 1920'lerde Rusya Sovyet Federatif Sosyalist Cumhuriyeti'nde icat edildi ve 1962 yılında Amerika'da pratik olarak uygulanabilen elektronik bir bileşen haline getirildi. Oleg Vladimirovich Losev adlı bir radyo teknisyeni radyo alıcılarında kullanılan diyotların ışık yaydığını fark etti ve 1927 yılında bir Sovyet gazetesinde LED hakkında buluşlarını yayımladı.
Başlangıçta yalnızca zayıf kırmızı ışık verebiliyorlardı ama çağdaş ledler görünür ışık, morötesi, kızılötesi gibi çeşitli dalga boylarında, yüksek parlaklıkta ışık verebilir.
Az enerji tüketimi, uzun ömür, sağlamlık, küçük boyutu ve hızlı açılıp kapanabilme gibi geleneksel ışık kaynaklarına göre birçok avantajı vardır. Ancak biraz daha pahalıdır.
LED lamba ve dijital tabela gibi çeşitli alanlarda uygulanabilmektedir.
Tarihçe
Keşifler ve ilk cihazlar
Elektrolüminesans bir doğa olayı olarak 1907'de Marconi Labstan İngiliz deneyci H. J. Round tarafından Silisyum karbür kristali ve kedi bıyığı dedektörü kullanarak keşfedildi. Rus mucit Oleg Vladimirovich Losev, 1927'de ilk LED'in buluşunu raporladı. Araştırması Sovyet, Alman ve İngiliz bilim dergilerinde dağıtıldı, ancak birkaç on yıl boyunca keşfin hiçbir pratik kullanımı yapılmadı.
1936'da Georges Destriau, çinko sülfür (ZnS) tozu bir yalıtkanda askıya alınıp üzerine alternatif elektrik alanı uygulandığında elektrolüminesansın oluşturulabileceğini gözlemledi. Destriau, yayınlarında genellikle lüminesanstan Losev-Işığı olarak bahseder. Destriau, aynı zamanda radyum üzerine araştırma yaparak lüminesans alanında ilk öncülerden biri olan Madam Marie Curie'nin laboratuvarlarında çalıştı.
Macar Zoltán Lajos Bay, György Szigeti ile birlikte 1939'da Macaristan'da mevcut safsızlıklara bağlı olarak beyaz, sarımsı beyaz veya yeşilimsi beyaz ışık veren, bor karbür seçeneğiyle silikon karbür temelli bir aydınlatma cihazının patentini alarak LED aydınlatma'nın önünü açtı.
Kurt Lehovec, Carl Accardo ve Edward Jamgochian bu ilk LED'leri 1951'de bir pil veya darbe üreteçli akım kaynaklı SiC kristalleri kullanan bir aparatı ve 1953'te bir çeşit, saf, kristalle karşılaştırmayı kullanarak açıkladı.
1955'te Radio Corporation of America'ndan Rubin Braunstein, galyum arsenit (GaAs) ve diğer yarı iletken alaşımlardan gelen kızılötesi emisyonu raporladı. Braunstein oda sıcaklığında ve 77 Kelvin sıcaklıktaki galyum antimonit (GaSb), GaAs, indiyum fosfit (InP) ve silikon-germanyum (SiGe) kullanan basit diyot yapılarının verdiği kızılötesi emisyonu gözlemledi.
1957'de Braunstein, ilkel cihazların kısa mesafelerde telsiz olmayan iletişim için kullanılabileceğini de gösterdi.
Kroemer tarafından belirtildiği gibi Braunstein "... basit bir optik iletişim bağlantısı kurmuştu: Plakçalardan çıkan müzik, GaAs diyodunun ileri akımını modüle etmek için uygun elektronik devreler aracılığıyla kullanılmıştı. Çıkan ışık, biraz uzaktaki PbS diyodu tarafından tespit edildi. Bu sinyal ses yükselticiye beslendi ve hoparlör tarafından çalındı. Işının kesilmesi müziği durdurdu. Bu kurulumla oynarken çok eğlendik." Bu kurulum optik iletişim uygulamaları için LED'lerin kullanımının habercisiydi.
Eylül 1961'de James R. Biard ve Gary Pittman Dallas, Teksasta Texas Instruments'da çalışırken GaAs altlık üzerine yaptıkları tünel diyodundan çıkan yakın-kızılötesi (900 nm) ışığını keşfettiler. Ekim 1961'de, GaAs p-n bağlantılı ışık yayıcısı ile elektriksel olarak yalıtımlı bir yarı iletken fotodetektör arasında verimli ışık yayılımı ve sinyal eşleşmesini göstermişlerdi.
8 Ağustos 1962'de Biard ve Pittman bulgularına dayanarak, ileri doğru bias altında kızılötesi ışığın verimli şekilde yayılmasını sağlamak için aralıklı katot kontaklı bir çinko-difüzyonlu pn bağlantılı LED'i tanımlayan "Yarı İletken Radyant Diyot" başlıklı bir patent başvurusunda bulundular.
General Electric Laboratuarları, RCA Araştırma Laboratuarları, IBM Araştırma Laboratuarları, Bell Laboratuarları ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki Lincoln Laboratuarı'ndan önceki mühendislik not defterlerine dayanan çalışmalarının önceliğini belirledikten sonra Birleşik Devletler Patent ve Ticari Marka Ofisi iki mucite ilk pratik LED olan GaAs kızılötesi ışık veren diyodun patentini (A. B. D. Patenti US3293513 ) verdi. Texas Instruments (TI), patent başvurusunun hemen ardından kızılötesi diyot üretimi için proje başlattı. Ekim 1962'de TI, 890nm ışık çıkışı yayan saf GaAs kristalini kullanan ilk ticari LED ürününü (SNX-100) duyurdu. Ekim 1963'te TI, ilk ticari yarı küresel LED olan SNX-110'u duyurdu.
İlk görünür spektrumlu (kırmızı) LED, J. W. Allen ve R. J. Cherry tarafından 1961'in sonlarında Baldock, İngiltere'deki SERL'de gösterildi. Bu çalışma Journal of Physics and Chemistry of Solids, Cilt 23, Sayı 5, Mayıs 1962, sayfa no 509511'de bildirilmiştir. İlk cihazlardan bir başkası Nick Holonyak tarafından 9 Ekim 1962'de General Electric için Syracuse, New York çalışırken gösterildi. Holonyak ve Bevacqua bu LED'i 1 Aralık 1962'de Applied Physics Letters dergisinde raporladı. Holonyak'ın eski bir yüksek lisans öğrencisi olan M. George Craford, ilk sarı LED'i icat etti ve 1972'de kırmızı ve kırmızı-turuncu LED'lerin parlaklığını on kat artırdı. 1976'da T. P. Pearsall, optik fiber iletim dalga boylarına özel uyarlanmış yeni yarı iletken malzemeleri icat ederek fiber optik telekomünikasyon için ilk yüksek parlaklıkta, çok verimli LED'leri tasarladı.
İlk ticari geliştirme
İlk ticari görünür dalga boylu LED'ler, akkor ve neon gösterge lambaları yerine yedi-segment göstergelerde, ilk önce laboratuvar ve elektronik test cihazları gibi pahalı ekipmanlarda daha sonra hesap makineleri, TV'ler, radyolar, telefonlar ve saatler gibi cihazlarda (sinyal kullanımları listesine bakın) kullanıldı. 1968 yılına kadar görünür ve kızılötesi LED'ler tanesi US$200 mertebeleri gibi çok pahalıydı ve bu nedenle pratikte çok az kullanıldı.
1962 ve 1968 yılları arasında Hewlett-Packard (HP), Howard C. Borden, Gerald P. Pighini yönetimindeki bir araştırma ekibi ile HP Associates ve HP Labste pratik LED'ler üzerinde araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) yaptı. Bu süre zarfında HP, ilk kullanılabilir LED ürünlerini geliştirmek için Monsanto Şirketi ile işbirliği yaptı. Kullanılabilir ilk LED ürünleri, her ikisi de 1968'de piyasaya sürülen HP'nin LED ekran ve Monsanto'nun LED gösterge lambası idi. Monsanto, göstergelere uygun kırmızı LED'ler üretmek için 1968'de GaAsP kullanarak görünür LED'leri seri üreten ilk kuruluştu. Monsanto daha önce HP'ye GaAsP sağlamayı teklif etmişti, ancak HP kendi GaAsP'sini geliştirmeye karar verdi. Şubat 1969'da Hewlett-Packard, entegre devre (tümleşik LED devresi) teknolojisini kullanan ilk LED aygıtı olan HP Model 5082-7000 Sayısal Göstergeyi piyasaya sürdü. Bu, ilk akıllı LED ekrandı ve Nixie tüpü'nün yerini alarak dijital ekran teknolojisinde devrim yapıp sonraki LED ekranların temeli oldu.
Özellikleri
Ledler yarı iletken malzemelerdir.
Ana maddeleri silisyumdur.
Üzerinden akım geçtiğinde foton açığa çıkararak ışık verirler.
Farklı açılarda ışık verecek şekilde üretilmektedirler.
Ledlerin gerilim-akım grafikleri üsteldir. Uygun çalışma noktasındayken ledin üzerindeki küçük bir gerilim değişimi büyük bir akım değişimine neden olur. Yüksek akım nedeniyle bozulmaması için ledlere seri bir akım sınırlama direnci bağlanır. Böylece hassas olmayan gerilim aralıklarında ledin bozulması engellenir.
Ledler tıpkı 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.
Bağlantı şekilleri
Bağlantıların her birinde karışık led çeşitleri kullanılabilir. Her çeşidin kendine göre ileri ön-gerilimi vardır. Dolayısıyla böyle bir kullanımda tüm hesaplar ayrı ayrı yapılmalıdır.
Seri bağlantıda 20 mA altında ledin ileri ön gerilimi bilinmelidir. N tane ledi birbirine seri bağlıyorsak ledlerin üzerinde toplamda
U_ledT = X U_led (ya da U_ledT = U_led1 + U_led2 + ... + U_ledN) Voltluk bir gerilim oluşur. Elimizde muhtemelen bir gerilim kaynağı olacaktır. Devreye seri olarak bağladığımız dirençte de geri kalan gerilim düşmelidir. Yani
U_direnç = U_kaynak - U_ledT
Led sisteminden 20 mA geçtiği bilinmektedir. Buna göre direnç hesaplanabilir:
R (K ohm)= U_direnç (V) / 20 (mA)
Türler
LED'ler farklı uygulamalar için farklı paketlerde yapılır. Gösterge veya pilot lamba olarak kullanılmak üzere tek minyatür cihazda tek veya birkaç LED bağlantısıyla paketlenebilir. LED dizisi, aynı pakette bir direnç, yanıp sönen veya renk değiştiren kontrol veya RGB cihazları için adreslenebilir kontrolör gibi kumanda devrelerini içerebilir. Daha yüksek güçlü beyaz ışık veren cihazlar, soğutuculara takılarak aydınlatmada kullanılır. Nokta matrisli veya çubuk biçimli alfanümerik göstergelerin kullanımı yaygındır. Özel paketler, yüksek hızlı veri iletişim bağlantıları için LED'lerin optik fiberlere bağlanmasına imkan verir.
Minyatür LED
Bunlar çoğunlukla gösterge olarak kullanılan tek kalıplı LED'lerdir ve 2 mm'den 8 mm'ye kadar çeşitli boyutlarda, deliğe montajlı ve yüzeye montajlı paketlerde satılır. Tipik akım derecelendirmeleri yaklaşık 1 mA ile 20 mA arasındadır. Esnek bir destek bandına bağlı çoklu LED kalıpları bir LED şerit ışığı oluşturur.
Yaygın ambalaj şekilleri arasında yuvarlak, kubbeli veya düz tepeli, üstü düz dikdörtgen (çubuk grafik ekranlarda kullanıldığı gibi) ve üstü düz üçgen veya kare vardır. Kapsülleme ayrıca zıtlığı ve görüş açısını iyileştirmek için şeffaf veya renkli olabilir. Kızılötesi cihazların, kızılötesi radyasyonu geçerken görünür ışığı engellemek için siyah bir tonu olabilir.
Ultra yüksek çıkışlı LED'ler doğrudan güneş ışığında görüntülemek için tasarlanmıştır.
5 V ve 12 V LED'ler, 5V veya 12V kaynağa doğrudan bağlantı için seri direnci olan sıradan minyatür LED'lerdir.
Yüksek güçlü LEDler
Diğer LED'ler için onlarca mA ile karşılaştırıldığında, yüksek güçlü LED'ler (HP-LED'ler) veya yüksek çıkışlı LED'ler (HO-LED'ler), yüzlerce mA'den bir amper ve daha fazla akımlara kadar sürülebilir. Bazıları bin lümenin üzerinde ışık verebilir. 300 W/cm2 değerine kadar LED güç yoğunlukları elde edildi. Aşırı ısınma cihazı bozduğundan, ısı dağılımına izin vermek için HP-LED'ler bir ısı emici üzerine monte edilmelidir. HP-LED'den gelen ısı giderilmezse, cihaz saniyeler içinde arızalanır. HP-LED, genellikle el feneri içindeki akkor ampulün yerini alabilir veya güçlü bir LED lamba oluşturacak şekilde bir diziye yerleştirilebilir.
Bu kategorideki bazı iyi bilinen HP-LED'ler, Nichia 19 serisi, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon ve Cree X-lamp'dır. Eylül 2009 itibarıyla, Cree tarafından üretilen bazı HP-LED'ler artık 105lm/W'yi aşmaktadır.
LED'lerin zaman içinde ışık çıkışında ve verimliliğinde üstel bir artış öngören Haitz yasası örnekleri, 2009'da 105lm/W değerine ulaşan CREE XP-G serisi LED ve 2010'da piyasaya sürülen 140lm/W tipik verimli Nichia 19 serisidir.
AC beslemeli
Seoul Semiconductor tarafından geliştirilen LED'ler, DC dönüştürücü olmadan AC gücüyle çalışabilir. Her yarım döngü için, LED'in bir kısmı ışık yayar ve bir kısmı karanlıktır ve bu, sonraki yarım döngü sırasında tersine çevrilir. Bu tür HP-LED'in verimliliği tipik olarak 40lm/W'dir. Seri bağlı çok sayıda LED elemanı doğrudan hat voltajından çalışabilir. 2009'da Seoul Semiconductor, basit bir kontrol devresi ile AC gücünden çalıştırılabilen, 'Acrich MJT' adlı yüksek DC voltajlı bir LED piyasaya sürdü. Bu LED'lerin düşük güç dağılımı, onlara orijinal AC LED tasarımından daha fazla esneklik sağlar.
Uygulamaya özel LED çeşitleri
Yanıp sönen LED
Yanıp sönen LED'ler, harici elektronik aksam gerektirmeden dikkat çekme göstergeleri olarak kullanılır. Yanıp sönen LED'ler standart LED'lere benzer, ancak entegre bir voltaj regülatörü ve LED'in tipik bir saniyelik bir süre ile yanıp sönmesine neden olan multivibratör devresi içerirler. Dağınık lensli LED'lerde bu devre küçük siyah bir nokta olarak görünür. Yanıp sönen LED'lerin çoğu tek renkli ışık yayar, ancak daha gelişmiş cihazlar birden çok renk arasında yanıp sönebilir ve hatta RGB renk karışımını kullanarak bir renk dizisinde solabilir.
0805 ve diğer boyutlardaki yanıp sönen SMD LED'leri 2019'un başından beri mevcuttur.
İki renkli
Çift renkli LED'ler bir kasada iki farklı LED emiter içerir. Bunların iki türü vardır. Bir tipi, birbirine aynı iki uca antiparalel bağlı iki kalıptan oluşur. Bir yöndeki akım bir renk yayar ve ters yöndeki akım diğer rengi çıkarır. Diğer tip ise her iki kalıp için ayrı uçlara sahip iki kalıptan ve bağımsız olarak kontrol edilebilmeleri için ortak anot veya katot için başka bir uçtan oluşur. En yaygını iki renkli kombinasyon kırmızı/geleneksel yeşildir. Diğerleri kehribar/geleneksel yeşil, kırmızı/saf yeşil, kırmızı/mavi ve mavi/saf yeşildir.
RGB üç renkli
Üç renkli LED'ler, bir kasada üç farklı LED yayıcı içerir. Her bir yayıcı, bağımsız olarak kontrol edilebilmeleri için ayrı bir kabloya bağlanır. Bir ortak uç (anot veya katot) ve her renk için ek bir uç ile dört uçlu bir düzenleme tipiktir. Diğerlerinin yalnızca iki ucu (pozitif ve negatif) vardır ve yerleşik bir elektronik denetleyiciye sahiptir.
RGB LED'ler bir kırmızı, bir yeşil ve bir mavi LED'den oluşur. Üçünün her birini bağımsız olarak ayarlama yaparak, RGB LED'ler geniş bir renk gamı üretebilir. Özel renkli LED'lerin aksine, bunlar saf dalga boyları üretmez. Modüller, pürüzsüz renk karışımı için optimize edilmemiş olabilir.
Dekoratif-çok renkli
Dekoratif-çok renkli LED'ler, yalnızca iki çıkış kablosuyla sağlanan farklı renklerde birkaç yayıcı içerir. Renkler, besleme voltajı değiştirilerek dahili olarak değiştirilir.
Alfanümerik
Alfanümerik LED'ler yedi segmentli, yıldız patlaması ve nokta matrisi biçiminde mevcuttur. Yedi bölümlü ekranlar, tüm sayıları ve sınırlı sayıda harfi işler. Yıldız patlaması ekranları tüm harfleri görüntüleyebilir. Nokta matrisli ekranlar tipik olarak karakter başına 57 piksel kullanır. Yedi segmentli LED ekranlar 1970'lerde ve 1980'lerde yaygın olarak kullanılıyordu, ancak sıvı kristal ekranların artan kullanımı, daha düşük güç ihtiyaçları ve daha fazla ekran esnekliği ile sayısal ve alfanümerik LED ekranların popülaritesini azalttı.
Kullanım alanları
Ledlerde mavi ışığın kullanılabilmesi ile RGB (Kırmızı Yeşil Mavi) aydınlatma mümkün olmuş ve
birçok sektörde uygulama alanı bulmuştur. Özellikle Aydınlatma, sinyalizasyon ve mimari aydınlatma alanlarında diğer ışık kaynaklarının yerini hızla almaya başlamışlardır. Ledlerin enerji sarfiyatlarındaki düşüklüğünün en önemli sebebi kayıplarının az olmasıdır.
Ayrıca ömürleri oldukça uzun olan bu diyotlar diğer ampuller gibi flaman taşımadıklarından dolayı hemen her koşulda sorunsuz kullanılabilirler.
Bugün ulaşılan aydınlatma değerleri beyaz renk için 140 Lümen/Watt gibi oldukça yüksek bir değerle floresant lambaları geçmiş bulunmaktadır, Bazı prototiplerde 180 lümen/watt oranına ulaşılmıştır. Boğaz Köprüsü'nde 2008 yılında yapılan ışıklandırmada da LED teknolojisi kullanılmıştır.
LEDler üzerlerine, yaydıkları ışığın frekansı ile aynı veya daha yüksek bir frekansta ışık düşürüldüğünde fotodiyot özelliği gösterirler. Bu özelliklerinden yararlanılarak elektronik cihazlarda tuş olarak da kullanılmaktadırlar. Makineler, TV ve monitörlerde de kullanılmaktadır.