LED’ler: Optik Performansı Anlamak

LEDPerformans1Yarı-iletken aydınlatma doğru lensler ve reflektörler kullanılırsa benzersiz bir performans sunabilir.

En etkili ışık kaynakları bile, yüksek kalite optikler olmadan, hiç bir işe yaramayacaktır. Troy, N.Y.’daki Aydınlatma Araştırma Merkezi’nin (LRC) Araştırma Direktörü Nadarajah Narendran, konuyla ilgili şunları ifade ediyor: “Örneğin bir kompakt flüoresan lamba, doğru optiklerle eşleştirilmediği takdirde kendi ışığının %70’ini kaybedebilir.”

Yarı iletken aydınlatma için reflektör ve lensler tasarlamak onları ölçümlemekten çok daha fazlasını gerektiriyor. Bu noktada evet, LED’ler kendi geleneksel rakiplerine oranla daha küçük şekle sahip olma özelliklerini taşıyorlar. Işığı yayma konusunda ise farklı özelliklere sahipler. Akkor flamanlı lambalar 360 derece aydınlatabiliyorlar ancak LED’lerin direkt aydınlatma oranı sadece 180 derece. LED paketi temelde şu elemanlardan oluşuyor: Bir ya da daha fazla yarı iletken çip ya da zar, ısıtıcı materyale montelenmiş, zarı çevreleyen öncelikli bir optik –bir lens ya da enkapsülant-, ısı ve gücü düzenleyen bileşenler. Akım verildiğinde, çipler elektro aydınlatıcalar ile ışık üretiyor.

Geleneksel lambalar ışığı flüoresanlar ya da parlaklık aracılığı ile yayıyor. Işık kaynağı; çok yönlü ışığı yakalayan ve belirli bir yayılıma yönlendiren, lenslerle, optik aksesuarla çalışan metal, cam ve akrilik reflektörlerle çevrelenmiş durumda.

LED’lerin çıkışları çok daha konsantre olmasına rağmen dağıtım birçok uygulama için fazla geniş ve ışık mesafeler üzerinden yoğunluk anlamında eksik. Bu yüzden, LED lambalar ve armatürler, bir ya da daha fazla ikincil optik ile birleştirilmiş.

Soraa’nın LED ürünler genel başkanı Frank Shum konuyla ilgili şöyle konuşuyor: “Uygun optik seçimi uygulamaya bağlıdır. LED MR16’larda yaygın olan reflektörler, TIR optikleri ve direkt aydınlatmanın hem avantajları hem de dezavantajları bulunur.”

Reflektörler

Reflektörler TIR optiklerine göre yerleştirilmesi daha kolay ve daha az pahalıdır. Işığı nasıl iyi bir şekilde ayarladıkları, bir açıdan, şekillerine bağlıdır. Yüzeyi segmentlere ayırmak parlama sabitliğini geliştirebildiği gibi farklı dokulara da uygulanabilir. Eğer gerekirse lensler ışığı daha öteye de yayabilir.

Ancak reflektörler yine de her şeyi çözmez. Örneğin LED kaynağından çıkan ışık parabolik reflektörlerden kaçabilir ve saçılan ya da daha da kötüsü “göz kamaştıran” bir ışığa dönüşebilir. Bunun da ötesinde birçok reflektör, alüminyum ile buhar kaplamadır. Bu materyal kısa devreye yol açabilir.

LEDPerformans2Fotoğraf: 3M

3 M’in D50 serisi gibi Polimetrik materyelden yapılmış yeni yansıtıcı filmler, plastik substratların üzerine uygulanabiliyor. Bu filmler iletken değiller, yüksek derecede yansıtıcılar ve bazı durumlarda optik olarak alüminyumdan daha üstünler. Alternatif olarak yansıtıcı polimer de ışığı kontrol etmek, yüzey parlaklığını artırmak için özel olarak yansıtıcıların içine yerleştirilebilir.

TIR optikleri

Işığın bir araçtan başka bir araca yolculuk etmesi fenomeninden yola çıkılarak tasarlanan daha az optik yoğunluk; bir açının ara yüzüne vuruyor ve parlama enerjisinin %100’ünü yansıtıyor. TIR optikleri veya TIR lensleri bir reflektörün içinde yuvalanmış ışığı kıran lenslerden oluşur ve tipik olarak huni şeklindeki yapısı ile optik etkinliği %92’nin üzerindedir. Lens, kaynağın merkezinden ışığı reflektöre yönlendirir ve reflektör kontrollü bir parlaklıkla onu dışarıya gönderir.

TIR optiklerin polimerlerden olan enjeksiyon kalıplıları, çeşitli yüzey iyileştiricilerle belli bir parlama şeklinde oluşturulmuşlardır. Enjeksiyon kalıplama, buna rağmen, lens boyutunu ve duvar kalınlığını (genellikle 0.5 inçe kadar) sınırlandıırır. Optik büyüdükçe, büzüşme ve sapma riski artar. Makinelerde uzun süreli, daha yüksek bir ısı ve basınç sağlamak ise riski azaltır ancak Shum’a göre bunun belli bir maliyeti vardır.

TIR optikleri ve ışığı dışa doğru yayan akkor flamanlı lambaların aksine, LED’ler kendi temellerini ısıtırlar ve TIR optiklerinin kubbeli tepelerinin üzerine rahatça oturmalarını sağlarlar. Hubbell Aydınlatma’nın Aydınlatma Çözümleri Merkezi Yöneticisi Chris Bailey: “LED’ler tasarımcı için ışığı direkt kaynaktan çekmesini ve spesifik olarak dikey-yatay düzlemlere yönlendirmesini sağlar” diyor.

Dış ve endüstriyel aydınlatmada yaygın olmasına rağmen TIR optikleri hala iç aydınlatma uygulamalarında daha anlamlı. Bailey’e göre parlama kontrolü için idealler ancak her uygulamada çalışmıyorlar. Örneğin eşleştirme, mimaride gömme aydınlatma için gerekli değildir ve vurgu yayılan aydınlatmada, düşük parlamada ve ışık dağılımındadır.

Boyut önemli

Shum’a göre, bir optik için LED’lerin ve LED paketinin boyut oranı parlama açısını belirliyor. Bu yüzden daha dar parlamalar, daha küçük ışık kaynaklarına veya daha büyük optiklere ihtiyaç duyar.

Buna rağmen, daha yüksek parlaklık akına ve uygunluğuna duyulan ihtiyaçtan ötürü kaynak boyutları yükseliyor. LED üreticileri kendi ürünlerine armatür tasarımcılarını çekebilmek için, modüler, yüksek-çıkışlı ve chip-on-board (COB) LED dizilerini piyasaya çıkardılar. Bailey’e göre bunlara artık daha sık rastlanır oldu. Bu diziler 6W-200W arası 600-20.000 lümen çıkışı sağlayabiliyorlar. COB LED’ler, tek bir yayılan yüzeyi ile seramik bir paketin üzerine birleştirilmiş ve bir elektriksel devreye kablolanmış çoklu zarlardan oluşuyor. Bu zarlar spesifik bir renk derecesi ve lümen çıkışı üretimi için tasarlanmışlar.

Ancak COB LED’lerde çıkışı kontrol etmek daha zor. Boyutları, uygun optiklerde enjeksiyon kalıplama fiyatlarını yükseltiyor. Ayrıca düz yüzeyleri eşleştirme açısında iyi sonuç vermiyor ki bu TIR optiklerinin verimliliği için anahtar olan bir nokta. Bailey: “Sonuç olarak COB dizileri, parlama kontrolünün daha az önemli olduğu geniş yayılımlı projektörlerde ya da downlight’lar gibi uygulamalarda daha iyi sonuç veriyor. Ayrıca optik ve elektriksel açıdan ihtiyaç duyulan ögeler de daha basit.” diye konuşuyor.

Yüksek-akı yoğunluğuna sahip (HDF) LED’lerin de popüleritesi gün geçtikçe artıyor. Onlar da çoklu zarlardan oluşuyor ancak her biri COB dizilerininkinden daha küçük ve Bailey’e göre anında müdahale edilmesi daha kolay. Kubbeli bir yüzeydeki zarlar, TIR optiklerine kolayca yerleştiriliyor ve böylelikle daha fazla çıkış kontrolü sunuyor. Bailey: “Bu yüksek-güçlü LED’ler 4W-60W arasında ve 400-6.000 lümen çıkışına sahipler.” diyor.

Yeni seçenekler

Her ne kadar fizik kuralları LED lambaların, daha dar parlaklık açılarına sahip küçük versiyonlarını sınırlasa da, bu süreç şu anda işlemeye devam ediyor. Shum tarafından tasarlanan Soraa’nın Point Source Optikleri şirketin LED MR16 lambasının 10-derece parlama yayılımına sahip olmasını sağladı. Katlanmış optik tek bir LED paketinden yayılan ışığı, dışarıya sıçramadan önce, birçok defa yansıtıyor ve parlamanın merkez aksine yakın olan ışığı belirsizleştiriyor. Böylelikle yumuşak, iyi tanımlanmış bir parlama yaratıyor. Shum, bu daha büyük diametre optiğinin enjeksiyon kaplama olabileceğini çünkü diyametre oranının 6:1 olduğunu belirtiyor. (bu oran TIR optiklerinde 1.25:1.) Soraa Snap Sistemi kullanıcıları ise MR16’da lensleri ve optik aksesuarları manyetik olarak kırabiliyor. Ayrıca isterlerse parlaklığı daraltıp, genişletebiliyor ve göz kamaştıran ışığı yok edebiliyorlar.

LEDPerformans3Fotoğraf: Soraa

Kaynak boyutları ile ilgili araştırmalar sürerken Reading, Mass de daha dar bir parlama yayılımı yaratmak için herhangi bir COB LED ile kullanılabilen çoklu TIR lensleri geliştirdi. COB LED’in daha büyük bir versiyonunun proporsiyon açısından, kendi aydınlatma kontrolünü tam sağlaması için, daha büyük bir optiğe ihtiyacı olacaktır. Kompakt olarak yerleştirilmiş bir lens tasarımı küçük ışık saçan parlaklık sağlar. Ve tabii ki daha küçük optik daha küçük bir armatür demektir.

Isıyı ele almak

COB ve HDF LED’lerinin yükselen lümen çıkışları aynı zamanda daha fazla ısı anlamına geliyor. Bu ışık kaynakları daha popüler olmaya başladıkça uygun ısı yönetimi; performans, diyot ömrü ve armatürün devre sistemi açısından çok daha kritik hale gelecektir. Aslında, yükselen ısı yüzündne bugün LED’ler epoksi yerine silikonla kapsülleniyor. Narandran’a göre epoksi 80 C civarındaki ısıya dayanabilirken silikonda bu değer 200 C.

Eşleşme, ışık ve ısıya maruz kalındığında optik verimliliği yükseltirken zaman içinde materyallerin azalmasına neden olabilir. Lensler ve reflektörler sarı olabilir, bu da Narendran’a göre renk değişimlerine ve armatürler arasında performans tutarsızlıklarına kadar gidebilir. Narendran sözlerine şöyle devam ediyor: “Birinci gün değişmeyen aydınlatma tasarımı farklı renkler üretmeye başlayabilir ve bu da bir açıdan mekanın estetiğini etkileyebilir”. Renklerde solma oluşabilir ve bu da lümen çıkışının yönlendirilebilirliğini azaltabilir.

Şaşırtıcı olmamakla beraber ısıya dayanıklı materyaller LED optik ve armatür üreticilerinin ilgisini çekiyor. Bailey: “TIR optikleri için materyel seçeneklerinden biri PMMA akrilik. Bu materyal netliği, UV stabilitesi ve yüksek geçirgenliği ile tercih ediliyor.” diye konuşuyor. Buna rağmen uzun süreli ısıya maruz kalışı bazı deformasyonlara neden olabilir.

Üreticiler tercihlerini cama da yönlendirdiler. Narendran bu konuda sözlerine şöyle devam ediyor: “ Cam da uygun bir aday. Çünkü polimerlerden çok daha güçlü. Ancak ağır, kırılgan ve üreticiler için pahalı bir seçenek.”

LED’lerin ihtiyaçlarını doğrudan karşılayan polikarbonlar başka bir güçlü seçenek. Bayer MaterialScience’s Makrolon’un LED-grade materyalleri uzun süreli ısıya maruz kalışı tolere etmek, ışık verimliliği ve güzel bir netlik için tasarlandı.

Üreticler seçenekler yaratmaya devam ettikçe, yeni ısıya dayanıklı materyaller ve özel yapım optikler ve daha yüksek etkinlikteki çözümler için çalışmalar da evam edecektir. Dutch 3D printed optics maker Luxexcel’in Pazarlama İletişimleri Yöneticisi Marco de Visser’e göre ikincisi çoktan başladı. 3D yazıcı teknolojisi prototipler ve yazıcı optikleri açısından siparişler için hız almaya başladı. Böyle gelişmeler ileride, sadece etkili olmasıyla değil aynı zamanda güzel ve kontrol edilebilir ışık kaynağı açısından yarı iletken aydınlatmanın önemini vurgulayacak.

Kaynaklar:

  • A list of introductory articles and white papers that discuss optics for LEDs.
  • TIR Lens Guide, by LEDiL, 2012. Available at: bit.ly/LEDiLTIR.
  • “Quality of Light: Perfect Spectrum, Perfect Beam,” by Soraa, 2013. Available at: bit.ly/1tpsmDb.
  • CALiPER Report 22: LED MR16 Lamps, by the DOE, Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, Building Technologies Program, Sept. 14, 2014. Available at: 1.usa.gov/YYwvTm.
  • Secondary Optics Design Considerations for SuperFlux LEDs, by Lumileds Lighting, 2002. Available at: bit.ly/1mgWgZB.

İlk fotoğraf: Chris Wood

Haber: Alice Liao
Haber kaynağı: http://www.archlighting.com/leds/leds-understanding-optical-performance_o.aspx