Özge Memiş  
ArGe Mühendisi  
Aktif Mühendislik

Özet — Elektrik enerjisini ışığa dönüştüren, yarıiletken temelli elektronik devre elemanı olan LED’ler, aydınlatma araçlarında ışık kaynağı olarak kullanılmaktadır. Önceleri sadece zayıf bir kırmızı ışık elde edilebilirken, teknolojik gelişmelerle birlikte LED'ler, farklı dalga boylarında ışık yayan, enerji tüketimi düşük, uzun ömürlü, küçük boyutlu, hızlı anahtarlanabilen önemli bir ışık kaynağı olarak günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makalede LED teknolojisi, aydınlatmada LED kullanımı ve LED kullanımının avantajları, LED’lerin sınıflandırılması, LED’lerin geleneksel ışık kaynakları ile performans ve maliyet karşılaştırılması gibi konulardan bahsedilecektir.

I. GİRİŞ

Aydınlatma dünyasının geleceği olarak gelişimine devam eden LED (ışık yayan diyot), elektrik enerjisini ışığa dönüştüren elektronik devre elemanıdır. Çeşitli kullanım alanları bulunan LED’lerin en yaygın kullanım alanlarından biride aydınlatma sektörüdür. Aydınlatma armatürlerinde ışık kaynağı olarak kullanılan LED’ler ile düşük enerji tüketimi, ömür uzunluğu, daha iyi bir ışık yönlendirme seviyesi, düşük ultraviyole ve kızıl ötesi ışıması, daha yüksek renksel geriverim ve kullanım esnekliği gibi konularda çok başarılı sonuçlar elde edilebilmektedir.[1] Geleneksel ışık kaynaklarına karşı sunduğu avantajlarla her geçen gün hayatımızda daha fazla yer almaya başlayan LED teknolojisi temelli aydınlatma sistemleri, farklılık sunmak, göz alıcı ortamlar oluşturmak ve kullanıldığı mekanlara etkileyici bir atmosfer katmak isteyenler için sayısız alternatif ve avantajlar sunmaktadır.[2] LED’li aydınlatma sistemleri yenilikçi ve çağın ötesinde çözümler sunmaktadır. Işık verimliliğindeki gelişme sayesinde LED’lerin geleneksel aydınlatmada kullanılan diğer ışık kaynaklarının yerini tamamıyla alması yakın gelecekte mümkün görünmektedir. [3]

II. LED (“LIGHT EMITTING DIODE”) TEKNOLOJİSİ

LED, yarıiletken bir malzeme içerisinde pozitif (hole) ve negatif (electron) yüklerin birleşimi ile tek renkte ışık üretir.[4] LED yapısı, p tipi ve n tipi yarı iletken katmanlardan meydana gelmiştir. Bu katmanlardan p tipi olan pozitif yüklü iyonlar ile n tipi olan negatif yüklü iyonlar ile katkılanmıştır. Yeterli seviyede gerilim uygulandığında katmanlar arasında akım akmaya başlar. Bu uygulama sonucunda negatif ve pozitif yükler electron-hole çiftini oluşturur ve sonuçta ortaya çıkan enerji ışık (foton) olarak etrafa yayılır. Bu olay elektrolüminesans olarak adlandırılır. Şekil 1’de LED’in ışık yayma prensibi ve yapısı gösterilmiştir. 1907 yılında, ilk defa elektrolüminesans kavramı H.J.Round tarafından bulunmuştur.[1] 1927 yılında, Oleg Vladimirovich Losev adlı bir radyo teknisyeni radyo alıcılarında kullanılan diyotların ışık yaydığını fark etti ve bir Rus gazetesinde LED hakkında buluşlarını yayımladı.[5] 90’lı yılların sonlarına doğru yüksek güçte LED’ler üretilmeye başlandı. Genel aydınlatma için beyaz ışık ve yüksek akılara ihtiyaç olması nedeniyle genel aydınlatmada LED kullanımına ancak 2000’lerde başlamıştır. Günümüzde ise LED aydınlatma ürünleri, aydınlatma sektöründe belli bir pazar payına sahiptir. Yıllar içinde teknolojik gelişimler ile LED armatürlerin pazar payı ve üretim rakamları ciddi oranda artmıştır ve bu büyümenin artmaya devam etmesi öngörülmektedir [1].

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Şekil 1. LED’in ışık yayma prensibi ve yapısı. [4]

III. LED TEKNOLOJİSİNİN ÜSTÜNLÜKLERİ

LED ışık kaynakları, geleneksel aydınlatmada kullanılan kaynaklara kıyasla uzun ömürlü, yüksek dayanıma sahip ve düşük enerji tüketimi gibi avantajlara sahiptir. Bunun yanında renk üretme yeteneğine sahiptirler. Bu oluşum LED çipi içerisindeki yarı iletkene ilaveten eklenen (galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrit vs.) kimyasallarla ilgilidir. LED’lerde kullanılan kimyasal maddelere göre yani renklerin farklılığına göre LED’in çalıştığı gerilim ve çektiği akımda farklılıklar oluşur. LED’ler milyonlarca renk üretmelerinin yanında çeşitli renk sıcaklıklarında beyaz ışık oluşturabilirler. LED’ler ışığın kısılıp açılabilmesi (dim) olanağını sağladıkları ve elektronik kontrol sistemleriyle kullanılmaları sayesinde çeşitli uygulamalarda tercih edilirler ve bu durum kullanıcılara pek çok avantaj sağlar. Geleneksel aydınlatmada kullanılan lamba teknolojileri, LED’lerin sağladığı geniş tasarım ve görüntü olanaklarıyla rekabet edemezler. LED’ler renk zenginliği, yapılarının çok ufak olması ve form esnekliği ile sağlam yapıda oluşları sayesinde tasarım, boyut ve şekil konularında lamba teknolojilerine kıyasla kullanıcılara çok fazla alternatif sunarlar. [2-7] Bunların dışında;

  • LED'ler doğal ışık oluşturur.
  • LED’ler, mevcut ışık kaynaklarından daha dayanıklı, uzun süreli ve enerji verimine sahiptir.
  • Düşük güç tüketimi ile düşük ısı dağıtma özelliğine sahiptir.
  • Enerji tasarrufu sağlarlar.
  • LED’li aydınlatma kaynaklarında bakıma ve lamba değişimine ihtiyaç duyulmaz.
  • Renksel geriverim çok yüksektir %95’e kadar ulaşabilir.
  • LED’ler 50.000-100.000 saat/ömür değerleri ile oldukça uzun ömürlüdürler.
  • Şoka ve titreşime dirençlidirler.
  • Işığında ısı taşımaması ve UV ışınları yaymadıklarından dolayı sağlığa herhangi bir zararı bulunmaması gibi özellikleriyle çeşitli üstünlüklere sahiptirler. [2-7]

IV. LED ÇEŞITLERI

Aydınlatma piyasasında kullanılan LED’ler çeşitli parametrelere göre sınıflandırılmaktadırlar. Sınıflandırma genellikle parlaklık seviyesi, güç seviyesi, renk sıcaklığı, paket boyutu gibi parametrelere göre yapılmaktadır. LED’lerin sınıflandırılması konusunda karşımıza çıkan genel kavramları şu şekilde özetleyebiliriz:

Single LED: İlk nesil LED sistemidir. Parlaklığı ve etkinlik faktörünü belirleyen LED çipi, ışığın rengini ve renk dengesini belirleyen fosfor katmanı, hem LED çipini hem de fosfor tabakayı koruyan, ayrıca ışık ve ısı salınımına yardımcı olan paket kısmından oluşan yarıiletken diyot yapısıdır. Baskı devre kartı (PCB) üzerine, çizilen elektronik devrenin şeklinde göre tekli veya çoklu adetlerde yerleştirilirler. Ortaya çıkan LED modülü, ışık kaynağı olarak kullanılır. LED aydınlatma sistemleri için evlerde tercih edilen modellerdendir.

COB LED: Aydınlatma için özel olarak tasarlanmış, montajı daha kolay olan modül LED’lerdir. Merkezi noktada toplanan LED’lerin birlikte çalışması prensibi ile oluşturulmuş yapıdır. COB LED’lerde belirli bir ölçüdeki çap içerisinde çok sayıda çip bulunur. Bu çiplerin üzeri fosfor tabaka ile kaplıdır.

Lineer LED: LED’lerin şerit şeklinde esnek(flexible) baskı devre kartı üzerine dizilmesiyle oluşturulmuş yapıdır. Devre kartı esnek olduğu için istenen şekillerde profil uygulaması yapılabilir. Single LED’lerin türevidir.

DC LED: Doğru akım ile çalışan LED sistemleridir. LED’in çalışacağı akımı sabitleyen bir sürücü devresi kullanılır.

AC LED:Alternatif akım ile çalışan bir sürücü aracılığıyla elektrik şebekesine bağlanarak çalışan LED sistemleridir.

RGB LED: Özel yapısı ve sürücüsü sayesinde renk değiştirebilen LED’lerdir. RGB – Red (kırmızı) , Green (yeşil) , Blue (mavi) renklerin baş harfleri birleştirilerek oluşmuş bir terimdir. Genel çalışma prensibi; bu üç rengi kullanarak, farklı kombinasyonlarda, çok çeşitli renk verebilir.[2-8]

V. LED’Lİ AYDINLATMADA SİSTEM VERİMLİLİĞİ

Bir aydınlatma armatür sisteminin verimli olabilmesi için; aygıtın optik verimi, ışık kaynağı verimi, gövde ve soğutucu verimi ile sürücü veriminin yüksek olması ve bütün bileşenlerin kusursuz olarak bir arada olması gerekir. Bir aydınlatma aygıtının verimi, aygıtın toplamda harcadığı elektrik gücü karşılığında yaydığı ışık miktarı anlamına gelen lm/W birimi olan etkinlik faktörü dediğimiz kavram ile ölçülür.[2] Şekil 2’de örnek aydınlatma sistem elemanları gösterilmiştir.

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Şekil 2 Örnek aydınlatma sistem elemanları [4]

A. Optik Verim

Işığın kaynağından çıktıktan sonra bir kaynağa yönlenmesi için reflektör ya da lenslere ihtiyaç duyulur. Geleneksel ışık kaynağı ve reflektör ile yapılan aydınlatmalarda kaynaktan çıkan toplam ışık akısının en fazla %80’i aydınlatılmak istenilen noktaya yönlendirilebilir. LED’ler geniş bir açıyla tek bir yöne ışık verir. Sistem doğru şekilde kurgulandığında LED’in yaydığı ışığın %90 oranında kullanımı sağlamak mümkün olabilir. [2]

B. Işık Kaynağı Verimi

Geleneksel aydınlatma kaynaklarında enerjinin belli bir kısmı ısıya dönüşürken LED’lerde bu oran çok daha düşüktür. LED’li aydınlatma kaynakları, düşük enerji tüketmelerine rağmen geleneksel lamba teknolojilerine göre daha fazla ışık yayarlar.[2]

C. Termal Verim

İdeal çalışma sıcaklığından daha sıcak bir ortamda çalışan LED’lerde, yayılan ışık miktarı ve LED ömrü azalır. Bu sebeple LED’li aydınlatma aygıtlarında sistem verimliliği için soğutucu tasarımı çok önemlidir. Sistem tasarımına başlarken ihtiyaca uygun şekilde soğutucu tasarımı yapılmalıdır. LED’li ışık kaynaklarında oluşan ısının mutlaka uzaklaştırılması gerekir. LED yapısı, PCB yapısı, termal macun ve soğutucu termal verimi etkileyen dört önemli faktördür ve tasarım yapılırken bu parametrelere dikkat edilmelidir.[2]

D. Sürücü Verimi

LED’lerin çiplerinde çalışması esnasında oluşan ısı ile LED iç direnci değişiklik gösterir. Bu sebeple daha fazla akım çeker ve LED ısınmaya başlar. Bunun tekrar etmesi ile LED’ler için tavsiye edilen maksimum çalışma sıcaklığı ve güç tüketimine ulaşır ve bu nedenle LED’ler bozulmaya başlar. Bunun önüne geçmek için özel sürücülere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu LED sürücüleri sabit akımlı çıkış verir. LED’li aydınlatma kaynaklarının kaliteli sürücüler ile birlikte kullanılması sistem güvenilirliğini artıracaktır.[2]

VI. FLORESAN, AKKOR LAMAN VE LED LAMBANIN KARŞILAŞTIRILMASI

LED’lerin aydınlatma gereçlerinde ışık kaynağı olarak kullanılması aydınlatma için harcanan enerjiyi azaltarak tasarruf sağlamaktadır. LED’li aydınlatma kaynakları, diğer lamba teknolojilerine göre %50 ile %90 arasında enerji tasarrufu sağlar ve çok daha ekonomiktir. Tablo 1 de çeşitli ışık kaynaklarının maliyet karşılaştırması yapılmıştır. (*Elektrik birim ücreti 0,36 TL kW/s üzerinden hesaplanmıştır.)

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Tablo 1: Çeşitli ışık kaynakları için örnek maliyet tablosu [6]

Tablo 2 de 75W güç tüketen akkor flamanlı lamba, 18W güç tüketen tasarruflu lamba(CFL) ve 12W güç tüketen LED lambanın günlük 6 saat açık kaldığı ve bu lambalardan 10’ar adet kullanıldığı varsayılarak maliyet karşılaştırması yapılmıştır. Bu karşılaştırmanın detayları tablo 2 deki gibidir. Karşılaştırma sonucunda LED lambanın daha ekonomik olduğu ve enerji tasarrufu sağladığı görülmektedir.

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

a. 75W Akkor Flamanlı Lamba

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

b. 18W Tasarruflu (CFL) Lamba

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

c. 12W LED Lamba

Tablo 2 : Aynı günlük çalışma saati ve aynı adette kullanımda a.75W Akkor Flamanlı Lamba, b.18W Tasarruflu Lamba ve c.12W LED lambanın maliyet karşılaştırması

Tablo 3’te akkor flamanlı lamba, tasarruflı lamba ve LED lambaların çeşitli performans parametreleri karşılaştırılmıştır. Tablodanda anlaşıldığı gibi LED’li aydınlatma diğerlerine göre pek çok avantaja sahiptir. LED lambalar A+ veya A++ enerji sınıfı etiketine sahiptir.Bir LED lamba, satın alındığı andan itibaren elektrik faturasını azaltmaya ve dolayısıyla ekonomiye katkı sağlamaya yardımcı olur.[9]

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Tablo 3: Çeşitli ışık kaynakları için örnek performans tablosu [6]

VII. LED ÖMRÜ

LED lambaların kullanım ömrü 15 yıldan başlar. Günde ortalama 3 saat kullanılan bir LED lamba, aralıksız 15 yıl boyunca bozulmadan ışık vermeye devam eder. Bu sayede sürekli ampul değiştirme gereksinimi ortadan kalkar. Günde 3 saat ortalama kullanım ömrü olduğu varsayıldığında, 1 adet LED lamba, 2 adet tasarruflu, 4 adet halojen ve 10 adet şeffaf enkandesan lambaya eşit kullanım ömrüne sahiptir. Şekil 3’te gösterilmiştir.[9]

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Şekil 3 Ürün karşılaştırma tablosu [9]

Tablo 4 te gösterildiği gibi, ortalama 50,000 saat ömür üzerinden hesaplanan LED lambanın günde 1 çalışmasıyla 137 yıl, günde 24 saat çalışmasıyla 5,7 yıl kullanım ömrü olduğu görülmektedir. Diğer hesaplamalar tabloda olduğu gibidir. Faydalı ömür; bir ışık kaynağının, belirli bir uygulama alanı için kabul edilebilir minimum ışık miktarını verdiği süredir. Şekil 4’te çalışma süresi grafiği gösterilmiştir.

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Tablo 4: LED lambanın günlük farklı çalışma saatlerindeki ömür hesaplamaları [4]

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Şekil 4 LED çalışma ömrü grafiği [4]

VIII. LED AYDINLATMANIN KULLANILDIĞI ALANLAR

Her geçen gün gelişen teknolojinin de etkisiyle LED teknolojisi üzerine yapılan çalışmalarda LED kullanım avantajlarının artışı ve çevreye olan olumlu etkilerinin de sonucunda kullanım alanları artmıştır. LED aydınlatma; ev aydınlatmasında, yol ve cadde aydınlatmasında, dış mekanlarda aydınlatmada, ofis aydınlatmasında, endüstri tesislerinde aydınlatmada, perakende mağazalarında aydınlatmada, otomobillerde gösterge panellerinde ve fren lambalarında, trafik sinyalizasyon lambalarında, elektronik aletlerdeki uyarı veya bilgi ışıklarında, cep telefonu vb. zemin(backlight) aydınlatmasında, kumandalarda, dekoratif aydınlatmalarda, reklam tabelalarında, kayan yazı vb. alanlarda ve bazı elektronik saatlerde kullanılmaktadır.[10] Şekil 5’te LED aydınlatmanın kullanıldığı alanlardan örnekler verilmiştir.

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Şekil 5 LED Aydınlatmanın Kullanıldığı Alanlardan Örnekler [4]

IX. SONUÇ

Ülkemizde enerji tüketim değerlerine göre aydınlatmanın %20-%25’lik bir paya sahip olduğu görülmektedir.[4] LED’li aydınlatma gereçleri tercih edilerek bu değerlerin büyük ölçüde azaltılması mümkündür ve ülke ekonomisine önemli oranda destek olacağı söylenebilir. LED’lerle verimli aydınlatma sistemlerinin oluşturulabilmesi için iyi armatür tasarımları ve kontrol sistemlerinin kullanılması gerekmektedir. Günümüzde birçok firma tarafından LED çipler kullanılarak tasarlanan armatürler ve bu armatürlerin kullanıldığı tesisatlar her geçen gün artmaktadır. Bu süreçlerin iyi yönetilmesi ve yapılan Ar-Ge çalışmalarının desteklenmesi ile daha iyi ürünler ve tasarımlar piyasaya çıkacaktır. Aydınlatma amacıyla tüketilen enerji miktarının, geleneksel aydınlatmada kullanılan lamba teknolojilerinin yerini LED’li aydınlatma kaynaklarıyla değiştirilmesiyle önemli ölçüde azalacağı tahmin edilmektedir. Şekil 6’da aydınlatma kaynaklarının kullanımında olması beklenen değişim gösterilmiştir. Günümüzde LED’li aydınlatma gereçleri floresan lambaların yerine kullanılabilir durumdadır. Gelecek yıllarda LED’li aydınlatma araçlarının geleneksel aydınlatma da kullanılan lamba teknolojilerinin yerini tamamen alması öngörülmektedir.

Aydınlatmada Enerji Verimliliği

Şekil 6 Aydınlatma kaynaklarının kullanımındaki değişim [4]

KAYNAKÇA

1. K. Vahaplar, A.Ö. Gürdal, G. Kesgin, “Aydınlatmada LED ve LED Üretim Teknolojileri”, Syf. 1-7.
2. http://www.lamp83.com.tr/teknik-bilgiler/ , 01.10.2017 / 19:51
3. Y. Erol, T. Canbolat, “Aydınlatma Sektöründe Yeni Nesil Power LED Teknolojileri”
4. A. Aybar, “LED Aydınlatma Sistemleri Ve Enerji Verimliliği”, Vestel LED Aydınlatma Sunumu
5. https://tr.wikipedia.org/index.php?q=aHR0cHM6Ly90ci53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvTEVE 01.10.2017 / 22:16
6. http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/led-aydnlatmann-hayatmzdaki-yeri-ve-onemi/8569#ad-image-0 22.10.2017 / 15:07
7. EMO İzmir Şubesi 30. Dönem Aydınlatma Çalışma Grubu, “ Aydınlatmada LED Gerçeği”, Şubat, 2016
8. http://www.skupit.com.tr/led-dunyasina-giris-aydinlatma-sistemleri/ 22.10.2017/16:15
9. 22.10.2017 / 22:19
10. N.Kılıç, “Aydınlatmada LED Teknolojisi”, AR&GE Bülten, Haziran,2014

Paylaş: