LED Nedir Nerelerde Kullanılır, Parlaklık Ayarı, Arduino ile LED Kullanımı

LED’lerle ilgili yazımızı sizler için daha faydalı olması amacıyla güncelliyoruz. Bu yazıda ledlerin hangi amaçlarla kullanıldığını, ledlerin bacaklarını, LED bağlantısının nasıl yapılacağını, ledlerin çalışma voltajlarını ve LED parlaklığının nasıl ayarlanacağını öğreneceksiniz. Ayrıca LED ters bağlanırsa ne olur, fazla akım verilirse ne olur, ledin direnç hesabı nasıl yapılır gibi soruların cevabını da yazımızda bulabileceksiniz. İsterseniz artık LED’in ne olduğundan ve nerelerde kullanıldığından yazımıza başlayalım.

LED Nedir ve Nerelerde Kullanılır?

LED Nedir?

LED, ışık yayabilen diyotlara verilen isimdir. Yani çalışma şekilleri flemanlı lambalardan oldukça farklı olmasına rağmen benzer görevleri üstlenirler. Tahmin edilebileceği gibi çalışma şekli farklı olan iki devre elemanının özelliklerinin de farklı olması beklenir. Bu farklardan biraz bahsedelim. LED ile dalgaboyu birbirinden farklı ışık kaynakları elde etmek mümkündür. Yani yaydığı ışık insan gözü tarafından görünmeyen ultraviyole bir LED üretilebileceği gibi; mavi, kırmızı, sarı, turuncu gibi görünür dalgaboyu aralığında bulunan renklerde ışık veren LEDler üretmek de mümkündür. Aynı şekilde dalgaboyu, spektrumun diğer bir ucunda kalan kızılötesi ışın kaynakları da LEDlerle sağlanabilir. Işığın spektrumu hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayarak konuyla ilgili Vikipedi sayfasına ulaşabilirsiniz.

LED’ler Verimlidir

Flemanlı bir lamba enerjinin çok büyük kısmını ısı enerjisine dönüştürür. Isıya dönüşmeyen kısım da ışığa dönüşür. Lamba kullanırken amacımızın ısınmak değil, aydınlanmak olduğunu düşünürsek enerjinin büyük bir kısmının boşa gittiğini söyleyebiliriz. Ancak LEDler çalışırken enerjinin çok daha küçük bir kısmını boşa harcar ve ısıya dönüştürür. Hem günümüzün en büyük problemlerinden olan küresel ısınma açısından (daha çok enerji için daha çok karbondioksit salınacaktır), hem de faturalarımızın daha düşük gelmesini sağlayacağından LED lambaları tercih etmeliyiz.

Lambaların aynı ışık gücünü üretmek için harcadıkları enerjiyi gösteren tablo.
örnek bir hesaplama

Örneğin odanızı 1600 lümen gücünde bir lamba ile günde 6 saat aydınlattığınızı düşünelim. Bir yıl 365 gün, o halde lamba yılda 2190 saat yanacak demektir. Bu iş için akkor bir lamba tercih edersek yılda 219kWh enerji harcanır. Ama aynı iş için LED lamba tercih edildiğinde yaklaşık 44kWh enerji harcanır. Böylece odanızı aydınlatmak için harcadığınız enerjiden %80 tasarruf edersiniz.

LED lambalar akkor lambalara kıyasla daha pahalı, evet. Ancak bir de şöyle bakalım: elektrik birim fiyatını 0,3976TL [1] kabul edersek yukarıdaki örnek için akkor lamba yerine LED lamba tercih ettiğimizde yılda yaklaşık 70TL tasarruf sağlamış oluyoruz. Bu para ile şu anda piyasada yaklaşık 30TL[2] değerindeki LED ampüllerden iki tane daha satın alabilirsiniz. Ayrıca bu değişimle yılda yaklaşık 80 kilogram karbondioksidin atmosfere yayılmasını önlersiniz.[3]

LEDlerin Kullanım Alanları

Aydınlatma, Görüntü Oluşturma

Yukarıda da belirttiğimiz gibi ledler aydınlatma amacıyla kullanılabilirler ve bu anlamda oldukça verimlidirler. Ledleri ortam aydınlatması dışında elektronik aletlerin ekranlarının aydınlatılması için de kullanıyoruz. Bu durum ekranın yapısına bağlı olarak ışığın daha eşit dağılmasını da kolaylaştırıyor. Ayrıca bu durum bataryayla çalışan cihazlarda daha uzun kullanım süresi sağlıyor.

LEDler LCD ekranlar için arka ışığı oluşturmak dışında doğrudan ekran olarak da kullanılabilirler. Elektronik tabelalar, skor tabloları, reklam panoları LEDler kullanılarak üretilen ekranlardır. Her bir LEDin hangi renkte yanacağı çeşitli yöntemlerle ayrı ayrı kontrol edildiğinde görüntü oluşturulabilir.

Durum Bildirme, Hata Ayıklama

LEDler ile bir cihazın durumunu takip edebiliriz. Örneğin bir taşınabilir şarj cihazının şarjının ne kadarının dolu olduğunu üzerindeki dört ledden kaç tanesinin yandığına bakarak anlayabiliriz. Ayrıca fişe taktığımız bir cihazın enerji alıp almadığını da bu şekilde anlayabiliriz. Hatta ilk üretilen görünür bölgede ışık yayan ledlerin ışık gücü en fazla gösterge olarak kullanılmaya uygundu.

Bir devre tasarlarken veya tasarlanmış bir devre için yazılım oluştururken bir veri yolundaki sinyali gözümüzle görmek oldukça faydalı olur. LEDler bu amaç için oldukça kullanışlıdır.

Veri İletimi ve İletişim

LEDleri iletişim ve veri aktarımı alanında da kullanabiliyoruz. En basit haliyle dijital (sayısal) verinin 0 ve 1 değerlerinden oluştuğunu düşünürsek LEDin yandığı durumu 1, yanmadığı durumu 0 kabul edebiliriz. Böylece LEDin bulunduğu devre verici olarak adlandırılabilir. Alıcı olarak da ışığa duyarlı bir sensör (fototransistör) kullanılabilir. Böyle bir düzenekte genellikle kızılötesi görünmez ışık yayan LEDler ve bunları algılayabilecek sensörler kullanılır. Bunun nedeni kızılötesi ışınların ultraviyole ışınlara kıyasla zararsız olması olarak açıklanabilir. Ayrıca görünür ışınlar kullanılsaydı sistemin hatalı veri alması daha olası olurdu. Bu sistemin kullanımına örnek olarak elektrik sayaçlarımızı okuyan makineyi, televizyon kumandalarımızı, bazı uzaktan kumandalı oyuncakları, eskiden cep telefonlarında kullanılan kızılötesi dosya paylaşım sistemini, bazı multimetrelerin bilgisayar iletişim sistemini verebiliriz. LEDler kullanılarak ses, görüntü, dosya, metin ve benzeri diğer veri türlerinin kablo bağlantısı olmadan aktarımı sağlanabilir.

Elektriksel İzolasyonda LED Kullanımı

Elektriksel izolasyon, iki veya daha fazla devre arasında elektriksel anlamda bütün bağlantıların yalıtılması anlamına gelir. Ancak elektriksel anlamda izole edilmiş devreler birbirine manyetik alan, ışık vb. yöntemlerle bağlı olabilir. Kabloların dışında plastik bulunması elektriksel izolasyona örnektir. Eğer kablolar saf bakır olsaydı, kablolara dokununca akım üstümüzden toprağa akacaktı. Bu da büyük bir tehlike oluşturacaktı. Benzer şekilde telefonumuzun şarj cihazını düşünebiliriz. İdeal bir şarj cihazının şebekeye bağlı kısmının şarj cihazının çıkış kısmına elektriksel olarak hiçbir şekilde bağlı olmaması istenir. Çünkü aksi durumda çarpılma riskimiz olur. Ancak buradaki gibi durumlarda verinin devrenin bir kısmından diğer kısmına elektriksel bir bağlantı olmadan aktarılabilmesini isteriz. Bunun için optokuplör denilen bir devre elemanı kullanırız. Optokuplör yukarıda belirttiğimiz LED-sensör kombinasyonunu içerir. Optokuplör ile ilgili yazımıza buradan ulaşabilirsiniz. Elektriksel izolasyona evimizdeki ufak güç kaynaklarından sanayideki otomasyon sistemlerine kadar elektroniğin neredeyse her alanında ihtiyaç duyarız.

Algılama için LEDler (Sensörler)

Elektronik bir sistemin gerçek dünyadan veriler edinmesini sağlayan sistemlere sensör denir. Örneğin ışığın şiddeti, uzunluk, hareket durumu, renk ve benzeri değerler sensörler yardımıyla algılanır. Bazı sensör türleri doğrudan LEDler yardımıyla çalışmaktadır. Buna en basit örnek olarak bilgisayar farelerimizi verebiliriz. Bunun dışında endüstride motorların hızlarını tespit edebilmek için, hareket algılayabilmek için ve benzeri durumları algılayabilmek için LED içeren sensörler kullanılır. Yangın algılamak için kullanılan duman sensörlerinin bazılarında LED lambalardan faydalanılır. LEDler kullanılarak yukarıdakilere benzer örnekleri arttırmak mümkündür.

LED Bacakları: Anot – Katot

Sıradan bir ledde iki bacak bulunur, tıpkı sıradan bir diyotta olduğu gibi. Bu bacaklardan birine anot, diğerine de katot denir. Bu bacakları ayırt edebilmek için biri uzun diğeri kısa olacak şekilde üretilir. Uzun bacak anot, kısa bacak ise katot olarak adlandırılır. Uzun bacağı güç kaynağının artı ucuna, kısa bacağı da eksi ucuna bağlamalıyız.

LED Bağlantısı Nasıl Yapılmalı, LED Direnç Hesabı

LEDler sabit akımla çalışır ve bu değer aksi belirtilmedikçe 20mA olarak kabul edilir. Dolayısıyla LED’e uygulayacağımız voltaj ne olursa olsun, akımı 20mA’e sınırlamamız gerekir. Bu sınırlamayı yaparken en basit şekliyle bir direnç kullanırız. Direnç kullanmak yerine, özellikle paralel çok fazla ledi çalıştıracaksak, veya sürekli değişen voltajla çalışan bir devrede sabit akım üreten entegreler veya devreler de kullanabiliriz. Ama biz bu yazıda bu işlemi direnç ile yaparken nasıl bir yol izlemeniz gerektiğini anlatacağız.

Tipik Ledler ve Voltaj Düşümü Değerleri

LED RengiForward Voltage (V)Baskın Dalga Boyu (mm)K
Kırmızı2.4630
Sarı2.4590
Yeşil3.8530
Mavi3.8465
Beyaz3.86500
Ilık Beyaz3.83500
LED renklerine göre forward voltage ve dalga boyu değerleri. NOT: Veriler LED üzerinden geçen akım 20mA olduğunda geçerlidir.

Tek Bir Ledde veya Seri Bağlı Ledlerde Voltaj ve Direnç Hesabı

Öncelikle yukarıdaki tablodan kullanacağımız LED türünü bulup voltaj düşümü değerini tespit etmeliyiz. İhtiyacımız olan en düşük voltaj değerini belirlerken voltaj düşümü değeri ile seri bağlı LED sayısını çarpmalıyız. (Tek bir led kullanıyorsak 1 ile çarparız.) Çıkan değer ihtiyaç duyacağımız en düşük voltaj değerini belirtecektir çünkü her bir LEDin ardından sistem voltajı “voltaj düşümü değeri” kadar düşecektir. Hatırlarsak aynı durum diyotlar için de geçerliydi; 12 volt bir güç kaynağına tipik bir diyodu seri bağlarsak çıkış 11.3 volta düşüyordu. Eğer bu değer elimizdeki güç kaynağının verebileceği en yüksek voltaj değerinden daha yüksekse, seri bağlı gruplar oluşturup bunları paralel olarak bağlayabiliriz. Örneğin 12 volt ile çok sayıda ledi aynı anda çalıştırmak istiyorsak 3 led ve 1 direnç ile gruplar oluşturup bunları gerekli sayıda paralel bağlayabiliriz.

Daha sonra OHM Kanunu kullanılarak gerekli direnç değeri hesaplanır. OHM Kanunu V=I*R olarak tanımlanır. Birimler sırayla Volt (V), Amper (A) ve OHM (OHM) olarak kabul edilir.

Seri bağlı LEDler için örnek devre.

Paralel Bağlı LEDlerde Akım ve Direnç Hesabı

Paralel bağlantıda her bir ledin çektiği akım * LED sayısı kadar akım sağlamanız gerekir. Yukarıda her bir ledin üretici tarafından aksi belirtilmedikçe 20mA kadar akım çektiğini söylemiştik. Akım değerini 20mA kabul ederek bir örnek durum düşünelim. 3 volt ile çalışan 10 tane LEDi paralel bağlamamız ve bu  için gereken güç kaynağının özelliklerini tespit etmemiz gerekiyor olsun. Güç kaynağının vermesi gereken voltaj 3 volttur. Çünkü daha fazla voltaj verilince ledler daha çok akım çekerek bozulacaklar, aksi durumda da çalışmayacaklar. Voltaj değerini tespit ettiğimize göre sıra akım değerini belirlemede. 20mA * 10 = 200mA olacaktır. Bu da 0,2A’ya eşittir. Bu durumda güç kaynağının anlık olarak 0,2A akım verebilmesi gerekir.

Eğer güç kaynağı LED voltajından daha yüksek voltaj sağlıyorsa akımı sınırlamamız gerekecektir. Yukarıdaki “seri bağlantı” bölümünde anlatıldığı gibi bir direnç ile bunu yapabilirsiniz. Ancak çok yüksek akım çeken devrelerde direnç ile akım sınırlamak pek doğru olmayabilir. Devre verimsiz olacaktır ve çok fazla ısınacaktır. Hatta oluşan bu yüksek sıcaklık bazı durumlarda yangın veya yaralanma gibi kötü durumlara bile sebep olabilir. Bu durumda seçilen direncin hesaplanan gücü [Güç (W) Voltaj (V) * Akım (A)] taşıyıp taşıyamayacağı dikkate alınmalıdır. Denemeler yaparken sıcaklık ölçülmeli, el ile kontrol edilmemelidir.

Eğer direnç bu gücü taşıyamayacaksa dirençlerin paralel bağlanması, paralel LED gruplarındaki LED sayısının azaltılması (ve seri / paralel gruplar oluşturulması), sabit akım sağlayan devrenin direnç yerine daha karmaşık ve aktif devre elemanlarından oluşan bir devre ile değiştirilmesi düşünülebilir.

Paralel bağlı LEDler için örnek devre.

Paralel – Seri Bağlı LED Grupları İçin Hesaplamalar

Bazı durumlarda ledleri seri bağlayarak gruplar oluşturur ve bu grupları paralel bağlarız. Böylece güç kaynağına ve amacımıza uygun led grubunu oluşturabiliriz. Örneğin “şerit led” olarak bilinen ledler seri bağlı üç led ve bir direncin istenilen uzunlukta paralel bağlanması ile elde edilir. Böylece kolaylıkla elde edilebilen standart bir voltaj olan 12 volt ile çalışan bir led grubu elde edilir. En kısa şerit led 3 tane ledden oluşur. Çalışan bir şerit leddeki led sayısı mutlaka üçün katıdır. Çünkü seri gruplar kesilirse o grup tamamen sönecektir.

Seri – paralel bağlı led grupları oluştururken güç kaynağınızın voltajıyla en fazla kaç led çalıştırabileceğinizi hesağlamalısınız. Eğer LED sayısı * LED voltajı güç kaynağınızın voltajından daha düşükse (daha yüksek olmamalı) akım sınırlama direnci kullanmalısınız. Bunu yukarıdaki seri bağlantı örneğini kullanarak yapabilirsiniz.

Daha sonra akımı hesaplamalısınız. Bunun için oluşturduğunuz seri bağlı LED gruplarını tek bir led gibi (çektiği akım tek bir ledin çektiği akıma eşit) düşünmelisiniz. Yani tek bir led 20mA çekiyorsa led grubu da 20mA çekecektir. Bu değeri toplam seri bağlı led grubu sayısıyla çarparak sistemin çekeceği toplam akım değerini bulabilirsiniz.

Paralel bağlı seri LED gruplarından oluşan örnek devre. 

LEDler Ters Bağlanırsa Ne Olur?

LEDler diyotlardır. Dolayısıyla LEDler, üzerinden akım geçmesi için doğru yönde bağlanmalıdır. Ters bağlı bir LED akım geçirmez ve ışık vermez. Ancak bu durumda LED üzerinde herhangi bir hasar oluşmaz. Ancak ters bağlı ve çok yüksek voltaj değerleri ledleri bozabilir ve kullanılmaz hele getirebilir.

Bir LED’e Fazla Akım Verilirse Ne Olur?

Bir cam sigortayı düşünelim. Taşıyabileceği en yüksek akım değeri belirlidir. Bu değer aşılırsa tel ısınmaya başlar, hatta kopar. Kopuk telden akım geçmeyeceğinden devrenin geri kalan kısmı korunmuş, ve olası yangın durumları önlenmiş olur.

Bir LED de, veya herhangi bir elektronik parça da, taşıyabileceği akımdan daha fazla akım çekerse fiziksel ve/veya kimyasal yapısında değişiklikler olur ve bozulur.

9 voltluk bir pile LED’i doğru kutuplar ile bağlarsanız ledin çok kısa süre (1 saniyeden az) ışık verdiğini, sonra bozulduğunu gözlemlersiniz. Çünkü 9 voltta LED üzerinden çok kuvvetli akım geçer. Bu durumda led bir “sigorta” gibi davranır ve bir daha asla üzerinden akım geçirmez.

LEDlerde Parlaklık Ayarı Nasıl Yapılır?

Bir LED üzerinden 20mA akım geçerlen LED tam parlaklığında çalışıyorsa 10mA akım geçtiğinde LEDin parlaklığı azalacaktır. Yani LEDin parlaklığı belirli sınırlar dahilinde üzerinden geçen akımla doğru orantılıdır. Bunu voltajı düşürerek veya direnci yükselterek sağlayabiliriz.

Potansiyometre kullanarak led parlaklığının ayarlanmas.
Potansiyometre ile LED parlaklığının değştirilmesi (NOT: bu uygulamada direnç değeri olması gereken değerin altına düşerse üstte belirttiğimiz “Bir Lede Fazla Akım Verirsek Ne Olur” durumu gerçekleşir. Bu nedenle bu şekilde kullanımı çok doğru değildir. Bu durumu önlemek için potansiyometreye potansiyometre yokmuş gibi yukarıda belirttiğimiz yöntemle hesaplanan direnç değerinde, seri bir direnç bağlanabilir. Ancak bu yöntem paralel bağlı ledlerde yüksek akımdan dolayı sorun yaratabilir. Bu nedenle büyük bir LED grubunun parlaklığı değiştirilmek isteniyorsa PWM yöntemi kullanılmalıdır.)

PWM ile LED Parlaklık Kontrolü

LEDin parlaklığını bir mikrodenetleyici ile kontrol etmek istiyorsak veya büyük güçlü bir LED grubunu kontrol etmek istiyorsak yazılım ile voltajı veya direnci değiştirmemiz çok kolay ve maliyet açısından uygun değil. Ayrıca direnç değişimi yoluyla parlaklığın değiştirilmesi verimli de değil.

Bunun yerine şöyle bir şey yaptığımızı düşünelim: Bir lambayı bir saniye içinde hiç söndürmezseniz tam parlaklığında yanacaktır. Bir saniyenin tamamında söndürürseniz lamba hiç ışık vermeyecektir. Peki bu lambayı bir saniyenin yarısında yakıp yarısında söndürürseniz? Yanıp sönen bir lamba elde edersiniz 🙂 Ancak süreyi bir saniyeden çok daha kısa belirlediğinizi düşünün, o zaman ne olur? Gözümüz lambanın söndüğünü algılayamaz ve lambayı yarı parlaklığında yanıyormuş gibi görür.

Lambanın açık kalma/kapalı kalma oranını değiştirerek LED parlaklığını istediğiniz seviyeye getirebilirsiniz. Bu yönteme PWM deniyor ve bilgi aktarımından motor hız kontrolüne, lambaların parlaklıklarına kadar pek çok şeyi düzenlememizi sağlıyor. PWM ile ilgili detaylı bilgi veren başka bir yazı yazmayı düşünüyorum.

PWM ile LED parlaklık kontrolü için örnek devre.

Aşağıdaki devreyi kullanarak mikronetleyiciye ihtiyaç duymadan PWM sinyalleri oluşturabilir, böylece sadece parlaklık kontrolü gerektiren uygulamalarda maliyeti düşürebilirsiniz. Devreyi 5 -15 volt DC ile besleyebilirsiniz. Üstteki devreyi bu devreye bağlayarak seçtiğiniz MOSFETin gücüyle orantılı olarak çok güçlü LEDlerin – LED gruplarının parlaklığını kontrol edebilirsiniz.

555 Zamanlayıcı Entegresi ile kurulmuş PWM üretici devresi.

Arduino İle LED Parlaklık Kontrolü

Arduino ile led parlaklığını ayarlarken LED’i Arduino’nun PWM pinlerinden birine bağlamalıyız. Arduino UNO’daki PWM pinleri 3 – 5 – 6 – 9 – 10 – 11. pinler. (Kartta yanında ~ sembolü olan pinler.) Tek bir LED’in parlaklığını kontrol etmek istiyorsak bu pinlerden birine 220 ohm değerinde bir direnç bağlayarak LED’in pozitif ucunu (uzun bacak) bu dirence bağlamalıyız. LED’in kısa bacağını da Ardiuno’nun GND’sine bağlamalıyız.

Eğer daha büyük güçte LEDleri kontrol etmek istiyorsak uygun bir MOSFET seçerek “PWM ile LED Parlaklık Kontrolü” başlıklı devreyi bu pine bağlamamız gerekir.

PWM oluşturmak için örnek kod:

int led_pin = 6; //LED'in bağlı olduğu PWM pini.

void setup() {
  //LED pinini çıkış olarak tanımlıyoruz.
  pinMode(led_pin, OUTPUT);
}
void loop() {
  for(int i=0; i<255; i++){
    analogWrite(led_pin, i);
    delay(5);
  }
  
  for(int i=255; i>0; i--){
    analogWrite(led_pin, i);
    delay(5);
  }
}

Kodu incelerseniz analogWrite() fonksiyonu ile LEDin bağlı olduğu pine çeşitli değerler gönderiyoruz. Bu değer 255 olduğunda LED tam parlaklıkta yanacaktır, 0 olduğunda tamamen sönecektir. Bunun nasıl gerçekleştiğini anlatan detaylı bir yazı yazmayı planlıyorum.

Umarım faydalı bir yazı olmuştur. Sorularınızı yorumlardan sormaktan çekinmeyin. Başka bir yazıda görüşmek üzere…

KAYNAKLAR

[1] https://encazip.com/elektrik-fiyatlari

[2] https://www.google.com/search?q=1600+l%C3%BCmen+led+amp%C3%BCl&tbm=shop

[3] https://blueskymodel.org/kilowatt-hour