LED’lerin bugünü ve yarını

Metin: A.Kamuran Türkoğlu, Optik Laboratuvarı, TÜBİTAK UME; Emre Erkin, Enerji Enstitüsü, İTÜ

Fosil yakıtların da bir gün gelip tükenebileceğini son on yıl içerisinde hepimiz öğrenmiş bulunuyoruz. Bundandır ki içinde bulunduğumuz şu dönemde çoğunlukla enerji tasarrufu ve kaynakların etkin kullanımı konuşulmakta. Bu noktada, dünyadaki tüm elektrik enerjisi kullanımının yaklaşık beşte birinin aydınlatmaya harcandığını önemle belirtmek gerekli. Aydınlatma sistemlerinin verimli kullanılması ve tasarruf olasılıklarının hayata geçirilmesinin de, akkor lambalardan kompakt flüoresana ve oradan LED’lere geçişimizin sırrı da burada yatıyor. Görülür ışıktan çok çevresine ısı veren akkor lambalar yerine lm/W cinsinden verimliliği ifade eden etkinlik faktörleri flüoresan lambalara yetişen hatta geçen LED’leri tercih ediyoruz artık. Bu bağlamda, Avrupa Birliği aydınlatma sektöründe 2009 yılı itibariyle 100W üzeri akkor lamba kullanımı yasaklanmış olup, 2012 yılından sonra da akkor lambaların tümünün üretiminin durdurulması söz konusu. Sonuç olarak, gelişen LED’li aydınlatma kullanımının yakın gelecekte radikal bir şekilde artacağını söylesek yanlış olmaz.

Teknolojik olarak katıhal aygıtlar olan LED’ler, günümüz aydınlatma teknolojisinin hiç şüphesiz en popüler ışık kaynaklarıdır. 1960’lı yıllarda kızılötesi LED’lerle ticari olarak ilk kez pazara çıkan Işık Yayıcı Diyot’lar yani LED’ler, değişik renk seçenekleri ile cep telefonu, kamera ve ışıklı panellerde standart olarak kullanılmakta. Küçük boyutları, geniş renk seçenekleri, yüksek güçlü tipleri, ‘çevre ile dost’ özellikleri ile sektöre dinamizm ve renk getirdiler. Gelişen yarı iletken teknolojisi ve genişleyen uzak doğu üretim piyasası ile her geçen gün LED sektöründe yeni uygulamalar görüyoruz.

Önceleri dekoratif aydınlatma tasarımında kullanılan LED’ler ışık rengi ve renksel geriverim gibi özelliklerinin iyileştirilmesiyle artık gerek iç, gerekse dış aydınlatma uygulamalarında kullanılabilir hale gelmiş durumda.

LED’leri alıp kullanıyorken pek de bilmediğimiz bazı teknik özelliklerini de göz önünde bulundurmak gerekiyor, aksi takdirde satın aldıktan sonra beklenmedik sürprizlerle karşılaşmamız mümkün. LED’ler ile ilgili başlıca dikkat edilmesi gerekenler ise şöyle sıralanabilir:

Etkinlik Faktörü

Bir ışık kaynağı olarak LED’ler de çektikleri Watt (W) cinsinden elektrik gücün sadece belli bir kısmını görülebilir lümen (lm) olarak yayarlar. lm/W cinsinden ifade edilen bu etkinlik faktörü ne kadar yüksek ise o ışık kaynağı o derece verimlidir. Ticari LED üretim çalışmaları, bu verimi 200 lm/W hedef değeri üzerine çıkarma yönündedir. Işığın rengine ve sürüş akımına göre değişebilen etkinlik faktörü değerinin, bilimsel olarak 350 mA akımda 208 lm/W rekor değeri ile yakalandığı söylenmektedir. Ancak bu değerler ideal laboratuar koşullarında 25 0C alt taban sıcaklığı için verilen değerlerdir. Yani gerçek uygulamalardaki etkinlik faktörleri laboratuar değerlerine göre daha düşük olabilmektedir. Bu sebeple herhangi bir lambanın yerine kullanılacak LED lambalarının içinde bulunan tekil LED’in laboratuar koşullarında verdiği ışık akısı ya da etkinlik faktörü değil, lamba halinde geliştirilmiş sistemin kayıplar dahil toplam ışık akısı ve etkinlik faktörleri dikkate alınmalıdır. Örneğin 120 lm/W etkinlik faktörü olan LED’ler ile geliştirilmiş bir LED armatüründe bu değerin 80 lm/W değerinin altına düştüğü görülebilir. Bu da LED armatürlerinin verimlerinin henüz konvansiyonel sistemlerden daha düşük olabildiği sonucunu doğurur. Renksel Geriverim:

Güneşe benzeyen tam spektrumlu beyaz renkli aydınlatmanın insan sağlığı ve psikolojisi üzerindeki daha olumlu etkileri olduğu kabul edilmektedir. Günümüzde LED’lerin iç aydınlatma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaya başlanması, çok değil 5 yıl kadar önce LED ile güneşe yakın spektruma sahip beyaz ışığın üretilebilmiş olmasına dayanıyor. Beyaz LED birçok şekilde üretilebilmektedir: Mavi LED’lere sarı fosfor eklenerek, kırmızı-yeşil-mavi renklerin UV LED’lerde bir kombinasyonu olarak ya da

Çinko-Selenyum bazlı sarı ve mavi ışık renklerini kullanarak. Tayfsal bağlamda, beyaz renkli LED’lerin renkli nesneleri günışığı kadar ne derece doğru gösterebildiği biraz tartışmalıdır. Zira beyaz LED’lerin renksel geriverim indisleri 100 üzerinden ortalama 85 seviyelerindedir ki, bu hastane gibi özel yerlerde istenilen eşik değeridir. Bu konuda yeni tasarım ve üretim çalışmaları ümit vericidir. Aslında mevcut standart renksel geriverim indisi hesaplama sisteminin de beyaz LED’ler için yeterli olup olmadığı teknik gruplarca tartışılmaktadır.

Isınma ve Ömür: LED’lerde karşımıza çıkan en büyük sorunlardan biri sıcaklıktır. Yüksek basınçlı deşarj lambalarının aksine lamba sıcaklıkları çok daha düşük olmasına rağmen, LED’lerin bağlı olduğu devrede, alt taban sıcaklığında ulaşılan sıcaklık değerleri LED’lerin ışık akısına etki ettiği gibi ömürlerine de etki eder. Mevcut durumda LED’lerin ömür testleri ve hesaplaması, genelde standart armatürler gibi yapılmakta. Ancak özellikle yüksek güçlü LED’lerin ömürlerinin belirlenmesinde sıkıntılar yaşanmaktadır. Açıkçası çoğu armatür üreticisi -kolay yoldan-aygıt ömrü olarak bireysel LED’in çalışma saatini vermekte, bu da sektörde henüz ölçülemeyen bir bilgi kirliliğine yol açmaktadır. Oysa bir aygıt olarak aydınlatma armatür sisteminin performansı, LED’lerin bireysel performanslarından çok farklı olacaktır.

Öncelikle, aygıtların ömründe nihai sonucu belirleyen unsur, sadece kullanılan LED çipinin karakteri değil çoğunlukla LED ile birlikte sürücü devresi, hatta kullanıldığı armatürün kendisidir. İkinci olarak, bu tür LED’lerin laboratuar şartlarındaki ölçümleri, dış ortam sıcaklık ve nem farkları ile oluşan durumlardaki performansını yansıtmaz. Örneğin, LED’lerin ışık akıları alt taban sıcaklığına bağlı olarak değişir. 250C için verilen toplam ışık akısı değerleri her 10 derecelik artış karşısında yaklaşık %5 azalır. Laboratuarlarda belirlenmiş teorik ömür değerleri de benzer şekilde gerçek çalışma sıcaklıklarında düşecektir. Bu bakımdan LED sistemlerinin kendi alt taban sıcaklıklarının soğutulma performansı ömürlerinde belirleyici olabilmektedir. Bu noktada, yüksek güçlü LED’lerde ısınmaya karşı soğutucu geliştirilmesi, en az LED seçimi kadar düşünülmesi gereken bir tasarım problemidir.

Işık Dağılımı

Tekil olarak LED’ler açılı yani yönlü aydınlatma sistemleridir, akkor lambalar gibi dört bir yanlarına homojen bir ışık dağılımı sağlamazlar. Her LED’in ışık dağılımı farklı karakteristikte olup, bazı LED’ler tam karşılarında maksimum aydınlatma vermeyebilir. Bu durum, bireysel LED ışık dağılımının bilinmesini ve buna göre armatürlerde özel lens ve reflektör tasarımlarının yapılmasını gerektirir.

Dekoratif aydınlatmada lider olan LED’lerin yaygınlaşması, üretim ve test yöntemlerindeki gelişmeye oldukça bağlı. Bu bağlamda LED’lerin fotometrik testlerinin özel yöntem ve farklı ölçüm ekipmanı gerektirdiğini de unutmamalıyız.

Henüz gelişme aşamasında olan yeni nesil LED’lerin, konut, endüstri ve yol aydınlatmalarındaki gereksinimleri ne derece karşılayabileceği konusunda soru işaretleri var, ancak bunlar LED’lerin yakın gelecekte lider ışık kaynağı olmasına engel değil;

1. LED, öteki ışık kaynaklı aygıtlarla karşılaştırıldığında, iç ve dış aydınlatmada görsel konfor yönünden nasıl bir performans gösterir?

2. Enerji tasarrufu açısından karşılaştırmalarda dikkat edilmesi gereken ölçütler nelerdir?

3. Verilen 100-150 lm/W gibi etkinlik faktörü değerleri hangi uygulamalarda geçerlidir?

4. Renksel özellikleri ne ölçüde gelişmiştir?

5. Beyan edilen uzun LED ömürleri, uygulamada aygıt ömürleri ile tutarlı mıdır?

6. Yüksek güçlü LED uygulamalarında ısıl etkiler nasıl azaltılabilir?

Dergide s. 74.