LED Çip Teknolojisi

SMD, İngilizce Surface Mount Device (yüzeye monte edilebilen eleman) kelimelerinin kısaltmasıdır. SMD LED’ler bir PCB baskılı devre kartları üzerine dizgi makinaları aracılığı ile dizilen ışık kaynaklarıdır.

Aşağıda bir SMD LED’in içyapısını gösteren görsel bulunmaktadır.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Görselden anlaşıldığı üzere bir SMD LED;

• Package
• Heat Sink
• Die
• Wire Bond
• Lens

gibi ana katmanlardan oluşmaktadır. Bu katmanların her biri LED’in kalitesini etkilemektedir.

Örneğin Package; bazı firmalar tarafından EMC (Epoxy Molding Compound) Thermosetting, PPA (Polyphthalamide) Thermoplastic ya da Silicon malzemeden üretilmektedir. Seçilen malzemeye göre ürünün ısıl dayanımı, UV dayanımı, verimlilik ve LED ömrü gibi faktörler çok değişkenlik göstermektedir.

LED Boyutları

SMD LED’ler teknolojik gelişmeler ve ihtiyaçlar doğrultusunda farklı paket yapılarında üretilebilmektedir. 2835, 3014, 3030, 5050 en sık kullanılan LED Çip paket ölçüleridir.

Buradaki birimler mm olarak alınmıştır. 3014 paket yapısına sahip bir LED Çip 30x14mm olarak düşünülmeli yani 3 cm’e, 1,4 cm ölçülerindedir. Aşağıda SMD LED Çip paketlerine ait görsel bulunmaktadır.

 

LED Renkleri

LED Çip’ler çeşitli inorganik yarı-iletken malzemelerden yapılırlar. Farklı renkleri yansıtabilmeleri için ise dalga uzunluğu aralığı, gerilim düşümü değeri ve malzeme katkısı olmalıdır.

LED Çip’lerde istenilen dalga boyunun (ışık renginin) yakalanabilmesi için eklenecek malzemelerin renksel değerleri aşağıdaki tabloda yer almaktadır.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tablodan anlaşılacağı üzere;

• Kırmızı ve amber ışık elde etmek için AlInGaP,
• Mavi ve yeşil ışık elde etmek için InGaN kullanılır.

 

LED Çip üzerinde görünen sarı fosfor katmanı ise “Beyaz” ışık elde etmek için mavi ışığın üzerine kaplanmıştır. Aslında, RGB yani kırmızı, yeşil ve mavi renkli LED Çip’lerin birleşimi ile beyaz ışık elde edilebilir.

Bu yöntem ile renk sıcaklığı çok kolay ayarlanabilir ancak CRI (Color Rendering Index) yani renksel geriverim indeksleri ve etkinlik faktörleri düşük olmaktadır. Bu nedenle ticari olarak fosfor kaplanması en çok tercih edilen yöntemdir.

 

LED Güçleri

LED Çip üreticileri SMD LED ürünlerini Mid Power ve High Power olarak gruplandırmaktadırlar. 0,2-1 watt aralığında üretilen LED Çip’ler Mid Power olarak geçmektedir.

Wattage ve verimlilik olarak düşük yapıda olmasına karşın üzerinden geçen düşük akım sayesinde soğutma sorunu yaşanılmadığı için bu çipler günlük hayatta ofislerimizde ve evlerimizde gördüğümüz lineer aydınlatmalar, 60×60 panel LED ürünlerinde sıkça kullanılmaktadır.

1 watt ve daha üzerindeki güçlerde üretilen High Power LED Çipler ise güç ve verimlilik olarak daha iyidir. Hacimsel olarak küçük bir armatür fakat yüksek güç talep edilen alanlarda kullanılır.

Özellikle sokak, park, bahçe ve endüstriyel aydınlatmalarda, yüksek ışık şiddeti ihtiyacı olan alanlarda tercih edilir. Literatür de Power LED olarak da geçmektedir.

 

 

 

 

 

Mid Power ve High Power LED Çip’ler farklı voltaj ve akım değerlerine sahip olarak üretilebilirler. Bu özellik sayesinde kullanım esnekliği sağlarlar. Örneğin; 3030 ped yapısındaki bir LED Çip 3V ve 150mA’lik ( 3V x 0,15A = 0,45W) üretilebileceği gibi 6V ve 200mA’lik (6V x 0,2A = 1,2W) de üretilebilir. Böylelikle hacim olarak küçük ama güç değeri olarak yüksek armatür yapılması gerektiğinde avantajlı konum sağlarlar.

LED Verimlilikleri

Farklı LED Çip üreticilerinin ürünleri arasındaki kalite farklarını maalesef göz ile ayırt etme şansımız bulunmamaktadır. Hatta ilk kullanım dönemlerinde de bu fark ortaya çıkmayabilir. LED Çip’lerin ışık verimlilikleri;

• Üzerinden geçen akım’a
• LED’in soğutulma kapasitesine

bağlı olarak değişmektedir.

3V ve 180mA’lik LED Çip’ler için üreticilerin belirttiği lümen değerleri genellikle 150mA ve 25° elde edilen verimliliktir. Fakat armatür üreticileri bu değerleri her zaman sağlayamadığı için (bazen LED Çip dizilimindeki seri-paralel bağlantı sayısı, kullanılacak driver’ın akım veya voltaj kapasitesi ya da soğutucu potansiyeline bağlı olarak) LED Çip üzerinden geçen akım ve soğutulma kapasitesine bakılarak gerçek verimlilik değerleri bulunabilir. Örneğin 3v/180mA’lik bir LED Çip’in;

• 150mA / 25°’de ışık verimi 180lm/w
• 160mA / 40°’de ışık verimi 165lm/w
• 180mA / 70°’de ışık verimi 120lm/w

olarak değişebilmektedir.

LED Çip üreticilerinin belirttiği 180mA’lik / 200mA’lik gibi akım değerleri datasheetlerde “Forward Current” olarak geçmekte ve LED Çip’in üzerinden geçirilmesi gereken maximum akım değerlerini temsil etmektedir. Maximum akımlarda LED Çip kullanımı kesinlikle önerilmeyen bir durumdur çünkü LED Çip’in ömrünü çok çabuk tüketmektedir. Bu nedenle bir LED Çip kaynağından en iyi ışık verimini alabilmek için “Typical Current” uygulanmalıdır ki bu üreticiden üreticiye değişmekle birlikte yaklaşık 65mA civarındadır. Bir LED Çip’i “Forward Current” ile sürmekle “Typical Current” ile sürmek arasındaki bağıntıyı en iyi anlatan örnek ise insanın koşma ve yürüme yetileriyle kıyaslanmasıdır. Şöyle ki; 1km’lik bir mesafeyi koşarak gitmeniz istendiğinde bunu yapabilirsiniz fakat 1km sonunda muhtemelen nefesiniz kesilmiş ve enerjiniz bitmiş olur oysa bu mesafeyi yürüyerek giderseniz bir sorunla karşılaşmazsınız.

Peki, bu durumda neden üreticiler “typical current” değil de “forward current” ile LED Çipleri sürüyor?

Sorunun cevabı tamamen maliyet düşürmekle ilgili, W=VxI formülasyonunda 3V’luk bir LED’i 65mA ile sürerseniz 0,195W elde edersiniz. 40W’lık bir armatür için 205 adet LED Çip kullanmanız gerekir. Oysa LED’in üzerinden 150mA akım geçirirseniz 89 adet LED Çip ile 40W’ı yakalarsınız. Bu durumda LED Çip sayınız, pcb yüzeyiniz, dizgi süreniz gibi birçok parametreyi azaltıp maliyetlerinizi çok düşürebilirsiniz.

Tabii armatürünüz ömrünü de düşürmüş olacağınızı bilmek şartıyla!

Son olarak seçeceğiniz LED Çip’in Kelvin ve CRI değerleri az da olsa ışık verimini etkilemektedir. Bir LED Çip’in ışık verimliliği Kelvin değeri 2700K’den 6500K’e doğru gidildikçe artar. Buna karşın CRI değeri arttıkça ışık verimliliği düşer.

Lümen Bini

LED Çip üretim teknolojisinde Çip’in ana materyallerinden package, lens, heatsink materyalleri ve ped üzerine yapılan fosfor ilavesi, ortam koşulları, fosforun ped etrafına yayılma kalitesi, üretim hattının kalitesi gibi bir çok kriter LED Çip’in verimlilik kalitesini etkilemektedir. Bu nedenledir ki; aynı üreticiye ait 3030 ped yapısındaki LED Çipler bile aynı ışık verimliliğinde olamaz. Üretilen bir partide 150lm/w verimlilikte olabileceği gibi bir sonraki üretim partisinde bu değer 160lm/w değerinde olabilir.

Bu yüzden LED Çip üreticileri ürünlerin teknik dokümanında “Luminous Flux” olarak adlandırdıkları, lümen bin değerini verirler. Bu sayede ihtiyacınız doğrultusunda ve devamlılığı olan projelerde aynı ışık verimliliğindeki LED Çipleri kullanma imkânınız sağlanmış olur.

Eğer bir projede kullandığınız LED Çiplerin lümen binlerine bakmadan üretim yaparsanız kullandığınız armatürler arasında toplam ışık değerlerinde farklılık ortaya çıkacaktır ki bu durum çokça karşılaşılan bir problemdir. Aynı LED Çip markası ve aynı modelini kullanmanıza rağmen bu tür bir sorunla karşılaşmamak için mutlaka LED Çip’in lümen binini dikkate almanız gerekmektedir.

Voltaj Bini

Yukarıda bahsettiğimiz Lümen bin değerindeki değişiklik aynı şekilde diotlardan kaynaklı olarak voltaj bini de ortaya çıkarmaktadır. LED Çip üreticileri aynı seri üründe farklı voltaj bininde LED Çip üretmektedir. Standart olarak 3V ya da 6V’luk LED tanımı kullanılmasına karşın aslında her LED Çip üretim kalitesine bağlı olarak 2,6V ile 3,3V aralığında çıkmaktadır. Bu değerler LED Çip üreticilerin teknik dokümanında belirtilmektedir. Örneğin Vf 2,6-2,7V aralığı gibi ya da 3,1-3,2V aralığı gibi.

Burada dikkat edilmesi gereken kriter en düşük voltaj binli LED Çip’in verimlilik açısından daha faydalı olacağıdır. Bu konuyu örneklendirmek gerekirse; bir sonraki sayfada Samsung 2835 ped yapısında ve LM281B+ serisi olan 2 üründe Kelvin, CRI, Akım ve Sıcaklıklar aynı tutularak bir tablo hazırlanmıştır.

Tabloda dikkat ederseniz tüm değerleri aynı tutulan RG binli ürünle 14096lm ışık akısı elde etmek için 200 LED Çip kullanılırken, SA binli üründe 14084lm ışık elde edebilmek için 241 adet LED Çip gerekmektedir.

Aynı ped yapısında ve aynı serili ürünlerde lümen bin ve voltaj bin farkı size bu farkı sağlayabilmektedir.

 

 

 

 

LED Ömür

Konvansiyonel aydınlatmalarda kullanılan floresan, metal halide, sodyum buharlı ampuller ve LED Çipler için her üretici kullanım ömür süresi vermektedir. Örneğin; Floresanlarda 5.000 saat, Metal Halidelerde 8.000 saat, LED’ler de bu değer 50.000 saat ve üstü olarak değişmektedir.

Konvansiyonel armatürlerde kullanılan bu ampuller kullanım ömürleri boyunca hemen hemen aynı ışık şiddetinde yanıp daha sonra bir anda sönerler. Fakat LED’ler de durum biraz farklıdır.

LED Çiplerde üzerinden akım geçirilmeye başlandığı andan itibaren Jonksiyon sıcaklıklarında yükselme meydana gelmesi nedeniyle, LED’lerin ışık akısı, etkinlik faktörü, verim ve renk gibi özelliklerini olumsuz yönde etkileyip ömürlerini azaltmaktadır.

Bir LED ışık kaynağının verimi %70 seviyesine düştüğünde bu durum göz ile ayırt edilebilir noktadır. Renksel algılamanın önemli olduğu yerlerde bu oran %80, dekoratif uygulamalar gibi ışık akısının kritik olmadığı uygulamalarda ise %50 değeri baz alınmaktadır.

Bu noktada üretilen bir LED Çip’in ne kadar sürede ne kadar ışık kaybına uğradığını öğrenmek için tüm Dünya’da kabul görmüş olan Kuzey Amerika Aydınlatma Mühendisleri Derneği’nin (IESNA) oluşturduğu LM80 / LM79 / TM21 raporlarını incelememizde fayda olacaktır.

LM80

Katı Hal Aydınlatma Sistemleri ve Teknolojileri Birliği (The Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies ( ASSIST) raporuna göre;  100 mA ve üzerinde sürüş akımına sahip LED Çiplerde lehim noktası sıcaklıkları 45°C, 65°C ve 85°C, 100 mA ve altında sürüş akımına sahip LED Çiplerde ise lehim noktası sıcaklıkları 35°C, 45°C ve 55°C’ye ayarlanarak 1000 saat ve 6000 saat arasında farklı sıcaklıklarda çalıştırılır. (Bazı üreticiler 10.000 saatlik testler yapabilmektedir.)

İlk 1000 saatlik ölçüm sonunda elde edilen ışık akısı değerleri %100 ışık akısı olarak kabul edilip, her 1000 saatlik artışlardaki ışık akısı düşümü kaydedilir ve 6000 saat sonunda ilk durumdaki ışık akısı farkı bize LED Çip’in ömrü ile ilgili öngörü sağlar.

Yapılan bu test uygulaması LM80 raporu olarak sunulmaktadır. Genel olarak LED Çip üreticileri tarafından sağlanan LM80 verileri, sadece laboratuvar ortamında ölçülen ışık akısı düşümünü verir. Ölçüm sonucunda farklı sıcaklıklarda uzun süre çalıştırılan LED’lerin ışık akısı azalma miktarlarının ve renk kaymalarının belirlenmesi amaçlanmaktadır.

LM80 verilerinin, LED Çip üreticileri tarafından yayınlanarak armatür üretici ve tasarımcılarına yol göstermesi hedeflenmiştir. Armatür üreticileri ve tasarımcıları kendi tasarım sonuçlarına yakın LM80 verilerini eşleştirip ömür performansı tahmini yapabilirler.

TM21

LED Çip’in tekil olarak 6000 saatteki ışık kayıp oranlarının belirlenip tahminlerin yapılmasını LM80 raporuyla ortaya çıkarabiliyorken, bir LED Çip’in ışık akısındaki düşüşün %70’e düştüğü andan itibaren sistemin artık görevini yerine getiremediği düşünülür. Bu noktada TM21 raporu devreye girmektedir.

LED Çiplerin ışık akısı düşümleri birçok faktöre bağlıdır. Bu faktörlere örnek olarak, kullanım zamanı, çalışma sıcaklığı, sürüş akımı ve kullanılan malzemelerin cinsi verilebilir. TM21, 6000 saatlik LM80 ölçümünün son 5000 saatini kullanır. (LM80 verileri 6000 saatten uzun yapıldıysa ölçüm süresinin ikinci yarısı kullanılır.)

Örneğin; L₇₀(5k) = 32.000 saat, ölçümü yapılan LED Çip’in ışık kaybının %70 seviyesine düşmesi 32.000 saat sonra gerçekleşecektir bilgisini bize vermektedir. Eğer “=” işareti yerine “>” işareti konulursa bu durumda ışık kaybının %70 seviyelerine düşmesi 32.000 saatten daha uzun sürede gerçekleşecektir.

TM21 belirli bir hata payı ile LED Çiplerin ömür öngörü tahmin yöntemini açıklamaktadır.

LM79

LM80 ve TM21 standartları, LED Çip’in ömür tahminlerini yapmada kullanılırken, armatürün LED ışık kaynağının performansı üzerindeki etkisini dikkate almamaktadır.

Oysa bir LED Çip, armatür içinde çalışması esnasında üzerinden geçen akım değerine, armatürün ısı transferine, uygulanan güce bağlı olarak verimliliği değişmektedir.

Yine Kuzey Amerika Aydınlatma Mühendisleri Derneği’nin (IESNA) oluşturduğu ve ilk kez 2008 yılında uygulanan ve daha sonra Dünya Standardı haline gelen LM79 test raporunun amacı bir armatürün;

• Toplam ışık akısı
• Işık şiddeti
• Işık yoğunluğu dağılımı
• Elektriksel güç özellikleri
• Işık etkinliği
• CRI, CCT, renk koordinatları

gibi özellikleri ölçmektir.

Bu ölçümleri aydınlatma firmaları kendi bünyelerinde gonyofotometre ve küre yardımı ile yapabilmektedirler. Fakat LM79 testi için gerekli olan 25° sıcaklığın sağlanması, LED Çip’in optimum çalışma sıcaklığına ulaşması, hava akışının kontrolü gibi çok fazla kriter olması ve bunların sağlanması zor olduğu için bu testlerin TÜRKAK (Türk Akreditasyon Kurumu) tarafından akredite edilmiş kurumlar tarafından yapılması en doğru değerleri verecektir.