LED ARMATÜR TASARIM SÜRECİ

Led Armatür Tasarım Süreci

LED armatür tasarımında,  temelde LED bazlı yeni bir armatür tasarlamak veya LED bazlı bir ışık kaynağı tasarlayarak mevcut bir armatur içine yerleştirmek gibi  iki farkli  yol  izlenebilir.

Sadece LED  işik  kaynağinin  kullanilacaği  yeni  bir  armaturun  veriminin,  mevcut  armature LED  işik  kaynaklarinin  yerleştirilmesine  gore  daha  yuksek  olmasi  beklenir.  Çunku yeni tasarimda,  LED’lerin elektriksel,  optik ve isil performanslari dikkate  alinabilecektir.  Buna karşin,  mevcut bir armatur içine uygun bir şekilde LED işik kaynağinin yerleştirilmesi ile elde edilecek  armatur tasarimi,  daha once kullanilan başka  işik kaynağina gore oluşturulduğu için,  daha  verimsiz  olabilecektir.  Genel olarak,  LED  işik  kaynakli  verimi  yuksek  bir  armatur geliştirilirken aşağidaki adimlar izlenmelidir:

1. Gerekli aydinlatma kriterlerinin belirlenmesi

2. Belirlenen aydinlatma kriterlerine gore tasarim hedeflerinin belirlenmesi.

3. Optik, isil ve elektriksel verimlerin belirlenmesi.

4. Verimlere gore  gerekli  LED  işik  kaynaği  teknik  ozelliklerinin  ve  sayisinin belirlenmesi.

5. Prototip uretilerek simulasyon sonuçlari ile gerçek verilerin karşilaştirilmasi.

Yukaridaki  adimlar aşağida detayli olarak açiklanmaktadir.

1. Gerekli Aydinlatma Kriterlerinin Belirlenmesi

LED  işik  kaynakli  armaturler,  kullanilmasi  amaçlanan  ortamlarda  konfor  ve  emniyet açisindan gerekli olan  minimum aydinlatma  kriterlerini  sağlamalidir.  Bu  nedenle, aydinlatma kriterlerinin  tasarim hedeflerinden once belirlenmesi gerekmektedir.  Bu adimda, tasarlanacak armaturun kullanilacaği alanlar için geçerli  mevcut standart  ve oneriler  incelenmelidir. Farkli bir  yaklaşim  olarak  da,  mevcut  armaturlerin  fotometrik  ozelliklerinin  belirlenmesi  ve  bu

ozelliklerine  gore  kullanilabilecekleri  uygulama  alanlarinin  siniflandirilmasi  yapilabilir.

Armatur tasariminin bu ilk adiminda kullanilabilecek armatur karakteristik değerleri aşağida siralanmiştir:

  Toplam Işik akisi

  Işik dağilim eğrileri

  LED Renk sicakliği

  LED Renksel geriverim endeksi

  LED Etkinlik faktoru [lm/W]

  Kamaşma sinirlamasi

2. Tasarim Hedeflerinin Belirlenmesi

Aydinlatma  kriterleri  belirlendikten  sonra  tasarim  hedefleri  konulmalidir.  Kritik  tasarim hedefleri armatur toplam işik çiktisi  ve çekilen guç ile ilgili olacaktir. LED’lerin armatur içine yerleştirildiklerinde verdikleri  işik  akilarinin,  çiplak  haldeki  işik  akilar ina  orani,  işik  çiktisi orani  (LOR:  Light  Output  Ratio)  olarak  adlandirilir.  Tasarim  hedeflerinden  biri  bu  oranin yuksek  olmasidir.  Tasarim  hedefleri  olarak  alinabilecek  diğer  kriterler  aşağida siralanmaktadir:

  Armaturden çikan toplam işik akisi [lm]

  Işik dağilim eğriler i

  Jonksiyon (Bağlanti noktasi) sicakliği (LED’lerin çalişma sicakliği)  [°C]

  Armatur toplam gucu (yardimci elemanlar dahil) [W]

  Armatur etkinlik faktoru [lm/W]

  Armatur omru [saat]

  Armatur maliyeti [TL]

3. Optik, Isil ve Elektriksel Verimlerin Belirlenmesi

Tasarim  surecinde  en  onemli  konulardan  biri  kullanilan  LED  işik  kaynaği  sayisidir.  LED sayisi direkt olarak işik akisi, guç tuketimi ve armatur maliyetini etkilemektedir. Hedeflenen işik akisini, LED’lerin katalogda verilen işik akisi değerine bolup ,  kullanilacak  LED sayisini hesaplamak  çok  kullanilan  bir  yontemdir.  Bu  şekilde  yapilan  bir  tasarim  ile  doğru  sonuçlar almak ve istenen aydinlatma kriterlerini sağlamak mumkun olmayabilir. LED’lerin işik akilari

jonksiyon  sicakliği,  surme  akimi  gibi  birçok  faktore  bağlidir.  Gerekli  LED  sayisini  kesin olarak  belirlemek  için  optik,  isil  kayiplar  goz  onunde  bulundurulmalidir.  Bu  yuzden tasarimlarin bilgisayar ortaminda gerek opt ik gerekse isil yonden analizi onemlidir.

Optik verim armaturun optik tasarimi ile ilgilidir. Armatur içindeki  kayiplar  nedeni ile, dişari verilen  işik  akisi  azalmaktadir.  Kayiplar  işiğin  armatur  tarafindan  yutulmasi  veya   armatur içine  geri  yansiyip  azalmasi  sonucu  ortaya  çikabilir.  Verim,  LED’lerin  armatur  içindeki yerleşimi, armaturun fiziksel ozellikleri, kullanilan malzeme gibi etkenlerle değişmektedir.

Isil verim, LED’lerin jonksiyon sicakliğina bağlidir.   Literaturde rastlanan  birçok  kaynak işik akisinin,  sicaklik  yukselişi  ile  duştuğu  yonundedir  [3,4,5].  Çoğu  uretici  firmanin  LED kataloğu 25°C jonksiyon sicakliğindaki işik akisini vermektedir.  Gerçek çalişma koşullarinda sicaklik  değeri  bu  değerin  ustune  çiktiği  için,  armaturun  isil  analizi  yapilarak  LED’lerin çalişma  sicakliği  belirlenmeli  ve  katalog  verileri  yerine  bu  sicakliğa  gore  belirlenen  işik akilari kullanilmalidir.

LED  suruculer  şebekeden  aldiklari  gucu,  LED’lerin  çalişmasi  için  gerekli  sabit  akima çevirirler.  Bu  donuşum  %100  verimli  değ ildir.  Standart  suruculerin  verimi  %80-90 civarindadir  [6].  Surucu  verimi  ayni  zamanda  yuke  de  bağlidir.  Suruculer  duşuk  yuklerde çaliştirildiklarinda  verimleri  daha  da  duşmektedir.  Bu  nedenle  surucu  seçimi  ya  da  armatur tasariminda  bu  noktalara  dikkat  edilmeli,  toplam  armatur  verimi  hesaplanirken  surucu kayiplari da dikkate alinmalidir.

Armaturlerde optik kontrol  elemanlari olarak  yansiticilar, kiricilar, yayicilar, yonlendiriciler, petekler,  ekranlar  sayilabilir.  Optik  verimin  her  zaman  çok  yuksek  olmasi  birinci  amaç olmayabilir.  Çunku  yuksek  optik  verimli  armaturlerle  gerçekleştirilen  aydinlatmalarda, kamaşma  sorunlarinin  yani  sira  duzgunluk  değerlerinin  sağlanmasi  problemleri  de gozlemlenebilir. Bu yuzden gorsel konfor ve verim optimize edilmesi gereken  ayri  bir konu olarak ele alinmalidir.

Gunumuzde işiğin  izleyeceği   yolu  belirlemek  ve yuzeyler uzerine duşen  işik  miktarini  tahmin etmek için bilgisayar programlari kullanilmaktadir.  Bunlarin sik kullanilanlarina  ornek olarak Optisworks,  Lighttools  ve  Photopia  gibi  programlar  verilebilir.  Bu  programlar onceden  kutuphanelerinde  tanimli  olan  işik  kaynaklarini  kullanarak  simulasyonlar gerçekleştirebilmektedir.  Optik  tasarim  programlari,  işik  kaynaklarindan  çikan  işinlarin sayisinin  belirlenmesine  olanak  tanimaktadir.  Bir  işik  kaynağindan  diş  ortama  işin yollanmasina  “işik  bombardimani”  adi  verilmektedir.  Işik  kaynağindan  diş  ortama  yollanan

işin sayisi, simulasyonun hassasiyetini belirler. Yuksek işin miktari ile yapilan hesaplamalar, hesap kesinliğini arttirirken, simulasyon suresini uzatmaktadir.

LED çipinde uretilen işik  birçok  malzemeden geçerek ortama  yayilir.  Farkli malzemeler işiği farkli şekilde geçirdiği için işik miktari azalir ve yonu değişir. Bilgisayar programlarindan iyi sonuç  almak  için  kullanilan  malzemelerin  ozelliklerinin  programa  çok  iyi  tanitilmiş  olmasi gereklidir.

Bilgisayar  yazilimlari  kullanilarak,  belirli  LED  modulleri  için  farkli  armatur  tasarimlari yapilabilir  ve  elde  edilebilecek  işik  dağilim  eğrileri  tahmin  edilebilir.  Bu  çalişmalardaki  en onemli  ve  kritik  nokta  kullanilacak  LED  modullerinin  simulasyon  programlarina  doğru tanitilmiş olmasidir. Genel olarak LED ureticileri, kendi LED  modullerinin tekil olarak  işik dağilim eğrilerini  farkli programlarda kullanilmak  uzere paylaşmaktadir. Tasarimcilar da bu standart  dosyalari  kullanarak  kendi  tasarimlarini  gerçekleştirebilmektedir.  Ancak  LED

modulu bir armatur içine çok sayida yan yana yerleştirildiğinde, optik verimliliği  ve işik çiktisi orani  azalabilmektedir.    LED  işik  kaynaklarinin  işik  akilarinin  armatur  içinde  ne  kadar azaldiğinin  belirlenmesi, kullanilacak LED sayisina gore  optik verimdeki duşme orani doğru armatur tasarimlarinda uzerinde onemle durulmasi gereken konulardir.

3.2 Isil Verim

LED  işik  kaynakli  aydinlatma  armaturlerinde  uretilen  isinin  diş  ortama  transferi   diğer  işik kaynaklarindan  farklidir.  Konvansiyonel  işik  kaynaklari  uretilen  isiyi  genel  olarak  işinim (radyasyon)    yolu  ile  transfer  ettikleri  için,  LED  işik  kaynakli  armatur  tasarimlarinin  da birçoğu hala bilinen  işinim esasina gore gerçekleştirilmektedir . LED’ler urettikleri isiyi ancak iletim  yoluyla  dişari  transfer  edebilmektedir.  Bu  farklilik  LED’ler  ile  çalişacak  sistemler tasarlanirken farkli  isi  transfer  seçeneklerinin  duşunulmesi gerekliliğini ortaya çikarmaktadir.

LED’lerde  uretilen  isiyi  dişari  transfer  edebilmek  için  ona  “isil”  bir  yol  çizilmesi gerekmektedir.  Bu  yuzden  LED  işik  kaynaklarinin  kullanilacaği  armatur tasarimlarinda,  isil iletim  esasli  tasarimlarla  sorunlarin  çozumlenmesi  gerekmektedir.

LED’lerin jonksiyon  sicakliği arttikça  urettikleri  işik miktarlari  duşmektedir. Şekil 5’de  farkli jonksiyon  sicakliklari  için,  farkli  renklerde   işik  yayan  LED’lerin  işik  akilarindaki  değişim gosterilmektedir.  Maksimum işik akisinin  25°C’de  elde edildiği  kabul edilmiştir.   sicaklik  arttikça  işik  akisi  onemli  oranlarda  duşmektedir.  Bu  nedenle, LED’lerin  sadece  katalog değerleri ile armatur  tasarimlari yapildiğinda,  gerçek kullanimlarda hedeflenenden  daha  duşuk  işik  akilari  elde  edilebilmektedir.  Uygulamada  bu  sorunlardan kaçinmak için armaturun isil davranişinin detayli olarak incelenmesi gerekmektedir.

Armaturlerin isil analizlerinin yapilabilmesi  için  literaturde  birçok  program mevcuttur. Butun programlar  temelde  sonlu  elemanlar,  sonlu  farklar  vb.  gibi  matematiksel  yontemleri kullanarak,  armatur  içindeki  sicaklik  dağilimini  ve  hava  hareketini  tahmin  edebilmektedir.

Son yillarda ozellikle LED alaninda ozelleşmiş yazilimlar  da geliştirilmiştir. Bu yazilimlarda, farkli  LED  modullerinin  malzeme ve isil  davranişlari  veri olarak kullanilmaktadir. Öncelikle LED  işik kaynaklarinin  ve  armaturun  geometrisinin,  herhangi bir  uç  boyutlu çizim programi ile  simulasyona  uygun  hale  getirilmesi  gerekmektedir.

LED’in isil bilgisi olçum yoluyla ya da uretici firmanin ilgili dokumanlarindan elde edilebilir. Henuz  isil  verilerin  sunumu  ile  ilgili  bir  standart  oluşturulmadiği  için,  farkli  ureticilerin verileri   de  farkli  formatta  olabilmektedir.  Oluşturulan  model  ile  ilgili  veriler  programa girildikten  sonra,   armatur  yuzeyi  kuçuk  elemanlara  bolunerek  hesaplamalar  yapilmaya başlanir.  Bu  işleme  ağ  oluşturma  adi  verilmektedir.  Oluşturulan  ağin  sikliği  hesaplama

suresini  ve  doğruluğunu  etkilemektedir.  Ağin  çok  sik  olmasi,  yani  çok  kuçuk  parçalardan oluşmasi  hesap zamanini uzat makta, ama diğer yandan hassasiyeti arttirmaktadir.  Bu yuzden kritik noktalardaki (LED modul çevresi  gibi) ağ sikliği daha fazla  yapilmaktadir. Armaturun çalişma  sicakliğini  ve  içindeki  sicaklik  dağilimini  etkileyen  diğer  bir  parametre  de  ortam sicakliği  olduğu  için,  yazilima  ortam  sicakliği  değeri  de  veri  olarak  girilmelidir.  Yazilim LED’in  isil  bilgisini  ve  ortam  sicakliğini  kullanarak  armatur  içinde  bir  sicaklik  dağilimi  ve

hava  hareketi  belirlemektedir.  LED’li  armaturlerde  genel  olarak  aktif  soğutma

bulunmamaktadir.  Armatur  içindeki  hava  hareketi,  doğal  taşinim  yoluyla  oluş maktadir.  Bu olay  sonucunda sicaklik  değişiminden  oluşan  yoğunluk  farki  nedeniyle de  bir  hava  hareketi oluşmaktadir. Bazi hesaplamali akişkanlar dinamiği programlari,  doğal taşinimi çozerek hava akiş  yonunu  de  tayin edebilmektedir. Hava  yonu ve sicakliğinin  yazilim  yardimi  ile tahmin edilmesi,  daha  uygun  soğutma  kanallarinin  ve  soğutma  bloklarinin  tasarlanmasina  yardimci olabilmektedir.

3.3 Elektriksel Verim

LED’lerin  çalişmasi  için  gerekli  yardimci  eleman  olan  suruculer  de  %100  verimli  değildir. Surucudeki kayiplarin artmasi,  çekilen  toplam armatur  gucunun  yukselmesine  ve elektriksel kayiplarin  isi  formunda  ortaya  çikmasina  neden  olmakta  ve  bunlarin  sonucunda  toplam armatur  verimi  azalmaktadir.  Standart  tip  LED  suruculerinin  verimleri  %80-90  arasindadir. Suruculerin kismi yukte çaliştirilmalari    da surucu verimini etkileyen faktorlerden biridir. LED’li armatur tasarimlarinda toplam guce uygun    surucunun  seçilmesi,   armatur verimi için onemli bir kriterdir.
www.ledekranci.com