Led Nasıl Çalışır? | Çalışma Prensibi ve Yapısı

Son yıllarda hayatımızı çevreleyen Led’ler birçok uygulamada karşımıza çıkmaktadır. Az enerji tüketmesi ile ünlü bu devre elemanları, üretildikleri günden bu yana aydınlatma ve otomasyon endüstrilerinin değişmez elemanları olmuşlardır. Basit ve kullanışlı yapıları ve kullanıcılar için sayısız avantaj sağlamaktadır. Peki, Led nasıl çalışır biliyor musunuz? Sanılanın aksine Led’in çalışma prensibi karmaşık değildir ve bu prensibi anlamak ürünleri verimli kullanmak için oldukça önemlidir.

Öncelikle LED’in tanımını yaparak başlayalım.

LED, içerisinden bir elektrik akımı geçtiğinde ışık yayan yarı iletken bir devre elemanıdır. Işık, akımı taşıyan parçacıklar yarı iletken malzeme içinde bir araya geldiğinde üretilir. Işık, katı yarı iletken malzeme içinde üretildiğinden, LED’ler katı hal cihazları olarak tanımlanır.

Led’in açılımı ingilizcede “Light Emitting Diode” kelime grubunun baş harflerinden gelmektedir. 

Bir diyot, en basit yarı iletken cihaz türüdür. Genel anlamda yarı iletken, elektrik akımını iletme yeteneği değişen bir malzemedir. Yarı iletkenlerin çoğu, safsızlıkların (başka bir malzemenin atomları) eklendiği zayıf bir iletkenden yapılır. Safsızlıkların eklenmesi işlemine doping denir.

LED’lerde iletken malzeme tipik olarak alüminyum-galyum-arsenittir (AlGaAs). Saf alüminyum-galyum-arsenitte tüm atomlar komşularıyla mükemmel bir şekilde bağlanır ve elektrik akımını iletecek serbest elektron (negatif yüklü parçacıklar) bırakmaz. Katkılı malzemede ilave atomlar ya serbest elektronlar ekleyerek ya da elektronların gidebileceği delikler oluşturarak dengeyi değiştirir. Bu değişiklikler herhangi biri malzemeyi daha iletken hale getirir.

Ekstra elektronlara sahip bir yarı iletken, ekstra negatif yüklü parçacıklara sahip olduğundan N tipi malzeme olarak adlandırılır. N tipi malzemede serbest elektronlar negatif yüklü alandan pozitif yüklü alana doğru hareket eder.

Bir diyot, her iki ucunda elektrotlar bulunan, P-tipi bir malzeme bölümüne bağlanan N-tipi bir malzemeden oluşur. Bu düzenleme elektriği yalnızca bir yönde iletir. Diyoda herhangi bir voltaj uygulanmadığında, N-tipi malzemeden gelen elektronlar, katmanlar arasındaki bağlantı boyunca P-tipi malzemeden gelen delikleri doldurarak bir tükenme bölgesi oluşturur. Bir tükenme bölgesinde , yarı iletken malzeme orijinal yalıtkan durumuna geri döner; tüm delikler doldurulur, böylece serbest elektronlar veya elektronlar için boş alanlar kalmaz ve elektrik akamaz.

Tükenme bölgesinden kurtulmak için elektronların N tipi bölgeden P tipi alana hareket etmesini ve deliklerin ters yönde hareket etmesini sağlamanız gerekir. Bunu yapmak için diyotun N tipi tarafını devrenin negatif ucuna, P tipi tarafını da pozitif ucuna bağlarsınız. N tipi malzemedeki serbest elektronlar negatif elektrot tarafından itilir ve pozitif elektrota doğru çekilir. P tipi malzemedeki delikler diğer yöne doğru hareket eder. Elektrotlar arasındaki voltaj farkı yeterince yüksek olduğunda, tükenme bölgesindeki elektronlar deliklerinden dışarı çıkar ve tekrar serbestçe hareket etmeye başlar. Tükenme bölgesi kaybolur ve yük diyot boyunca hareket eder.

P tipi tarafı devrenin negatif ucuna ve N tipi tarafı pozitif ucuna bağlayarak akımı diğer şekilde çalıştırmayı denerseniz, akım akmayacaktır. N tipi malzemedeki negatif elektronlar pozitif elektroda çekilir. P tipi malzemedeki pozitif delikler negatif elektroda çekilir. Delikler ve elektronların her biri yanlış yönde hareket ettiğinden bağlantı noktasından akım geçmez. Tükenme bölgesi artar.

Bu düzenekte elektronlar ve delikler arasındaki etkileşimin ilginç bir etkisi vardır: Işık üretme!

LED Nasıl Çalışır? Işığı Nasıl Üretir?

Işık, bir atom tarafından salınabilen bir enerji şeklidir. Enerjisi ve momentumu olan ancak kütlesi olmayan birçok küçük parçacık benzeri paketten oluşur. Foton adı verilen bu parçacıklar ışığın en temel birimleridir.

Elektronların hareketi sonucu fotonlar açığa çıkar. Bir atomda elektronlar çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde hareket eder. Farklı yörüngelerdeki elektronlar farklı miktarda enerjiye sahiptir. Genel olarak konuşursak, daha büyük enerjiye sahip elektronlar, çekirdekten daha uzaktaki yörüngelerde hareket eder.

Bir elektronun alt yörüngeden üst yörüngeye atlaması için bir şeyin onun enerji seviyesini yükseltmesi gerekir. Tersine, bir elektron daha yüksek bir yörüngeden daha alçak bir yörüngeye düştüğünde enerji açığa çıkarır. Bu enerji foton şeklinde salınır. Daha büyük bir enerji düşüşü, daha yüksek frekansla karakterize edilen daha yüksek enerjili bir foton açığa çıkarır.

Daha önce gördüğümüz gibi, bir diyot boyunca hareket eden serbest elektronlar P-tipi katmandaki boş deliklere düşebilir. Bu, iletim bandından daha düşük bir yörüngeye bir düşüşü içerir, böylece elektronlar, foton biçiminde enerji salar. Bu herhangi bir diyotta olur, ancak fotonları yalnızca diyot belirli bir malzemeden oluştuğunda görebilirsiniz. Örneğin standart bir silikon diyottaki atomlar, elektronun nispeten kısa bir mesafeye düşmesini sağlayacak şekilde düzenlenmiştir. Sonuç olarak, fotonun frekansı o kadar düşüktür ki insan gözüyle görülemez; ışık spektrumunun kızılötesi kısmındadır. Elbette bu kötü bir şey değil. Örneğin kızılötesi LED’ler uzaktan kumandalar için idealdir.

Işık yayan diyotlar (VLED’ler), iletim bandı ile alt yörüngeler arasında daha geniş bir boşluk ile karakterize edilen malzemelerden yapılmıştır. Boşluğun boyutu fotonun frekansını yani ışığın rengini belirler. LED’ler uzaktan kumandalardan elektronikteki dijital ekranlara kadar her cihazda kullanılırken, görünür LED’ler uzun ömürleri ve kompakt boyutları sayesinde popülerdir. LED’lerde kullanılan malzemelere bağlı olarak kızılötesi, ultraviyole ve aradaki görünür spektrumun tüm renklerinde parlayacak şekilde üretilebilirler.

Tüm diyotlar ışık yayarken, çoğu bunu çok etkili bir şekilde yapamaz. Sıradan bir diyotta, yarı iletken malzemenin kendisi ışık enerjisinin çoğunu emer. LED’ler, çok sayıda fotonu dışarıya salacak şekilde özel olarak yapılmıştır. Ek olarak, ışığı belirli bir yönde yoğunlaştıran plastik bir ampulün içine yerleştirilmiştir. Diyottan gelen ışığın çoğu ampulün yanlarından yansır ve yuvarlak uçtan geçerek ilerler.

Led’lerin çalışma prensibinin sağladığı faydalar ve Led’lerin özellikleri şunlardır:

• Yüksek verimlidirler. Düşük enerji ile yüksek ışık parlaklığı sağlayabilirler.
• Enerji tasarrufu sağlarlar.
• Çok uzun ömürlüdürler ve bakıma ihtiyaç duymazlar. 50000 saati geçen çalışma ömrüne sahip modelleri vardır.
• Şok ve titreşime dayanıklıdırlar. Gövdeleri çok kuvvetlidir, çok düşük ve çok yüksek sıcaklıklarda dahi verimli bir şekilde çalışabilirler.
• İlk satın alma maliyeti yüksek olsa da uzun dönemde hem enerji verimliliği hem de uzun ömrü düşünüldüğünde daha ekonomik bir çözümdür.
• Dimmerlerle kullanılıp parlaklığı artırıp azaltılabilmektedir.
• Yapısında kurşun ve cıva gibi ağır elementler yoktur.
• Isı ve zararlı ışın dağılımı yoktur.
• Renk çeşitliği ile dekoratif olarak hoş görünürler.
• Çok hızlıdırlar. Hemen ışık verebilirler. Enerjilendikten sonra belli bir süre geçmesine gerek yoktur.
• Küçük boyutlu ve hafiftirler. Neme ve suya dayanıklıdırlar.
• Elektrik panolarında kullanılan sinyal lambalarında uzun ömürlü olduklarından dolayı tercih edilirler.

Led’lerin kullanımını 4 farklı kategoriye ayırabiliriz. LED’ler şu işler için kullanılır:

• Bir mesajı iletmek için ışığın doğrudan kaynaktan insan gözüne doğru gittiği görsel sinyaller olarak kullanılır.
• Aydınlatma uygulamalarında kullanılır.
• İnsan görüşü içermeyen süreçleri ölçmek ve etkileşime girmek amacıyla kullanılır.
• LED’lerin ters modda çalıştığı ve ışık vermek yerine olay ışığına yanıt verdiği dar bant ışık sensörlerinde kullanılır.

Günlük hayatta Led’lere TV’lerde, cep telefonlarında, otomobil lambalarında, ev aydınlatmalarında ve aklınıza gelebilecek her türlü elektronik ekipmanda rastlayabilmekteyiz.

Kaynak