LED için reflektör veya lens

Konu sadece düşük maliyetle ışık üretme değil. Işığın verimli bir şekilde istenilen alana ve de uygun bir ışık dağılımı ile yönlendirilmesi gerekiyor. Peki uygun bir ışık yönetimi için hangi optik kullanılmalı, bunların avantajları-dezavantajları neler ve hangi uygulama için daha uygunlar veya değiller? Genel olarak iyi bir LED aydınlatması için bireysel çözümlerin tercih edildiği söylenebilir. Nadir durumlarda, işlev prensibinden bağımsız, genel olarak uygulanabilir bir optik, yüksek talepleri karşılayabiliyor. Ancak, uygulamaya özel optiklerin standart ürünlere göre fiyatları daha yüksek oluyor. Bununla birlikte yüksek fiyat kendisini genelde her zaman amorti ediyor.

Uygulama durumu optiği seçerken özel şartlara bağlı olduğu için reflektör, lensler, prizma optikleri ve difüzörler arasında doğrudan bir karşılaştırma yapılamıyor. Rotasyon simetrili bir lens, çoğu zaman High-Power-LED’lerde tercih edilirken, klasik (Paraboloit) bir reflektör “Chip-On-Board (COB)” olarak adlandırılan modüllerde kullanılıyor. Düz ve yüzey modüllerinde reflektör çözümleri, Lens dizilimleri ve kalıptan çekilmiş Fresnel lensleri ile difüzör ve prizma plakaları kullanılabiliyor.

Plastik lensler

Özel LED çözümlerinde, LED’lerin yapısında çok fazla oynanamadığı için ışık tekniği açısından harici optik lens kullanılması iyi bir çözüm olarak ortaya çıkıyor. Bir (örneğin Luxeon Rebel Plus Lumiled’leri) ile dört arasında (örneğin Osramâ Ostar Lighting Plus) çipi ve entegre primer optiği (çoğunlukla silikondan yapılmış) olan High-Power LED’leri sıklıkla TIR-Lensleri (toplam dahili yansıma) (Resim 1) kullanılıyor. Bu konik şekilli lensler, üretim tekniği açısından çok düşük toleranslara sahip. Ayrıca ışığın kenarlardan kaybolmamasını sağlayacak ve iç toplam yansıma ile öne yönlendirilecek şekle sahip. En büyük avantaj ise bu optik ile üretilen ışığın tüm ışınlarının yönetilebilir olması. Kontrol edilemeyen hiçbir doğrudan ışık miktarı (Resim 2) yok. Böylece bu sistemler ile kesin sınırlar oluşturan çok dar yansımalı noktalar oluşturulabiliyor.

Yüzeylerde pürüzler veya farklı dokular yaratmak suretiyle değişik yansıma açıları ve ışık şekilleri yaratılabilir. Bir başka yaygın olan tür de Batwing olarak adlandırılan, düşük yapı yüksekliğindeki ışığı büyük yüzeylere eşit oranda dağıtan lensler. Bunlar sıklıkla ortam ve fon ışığı aydınlatması için kullanılıyor. Bu lensler LED modül üreticileri tarafından (Samsung, Tridonic) doğrudan LAM (Lens Attached Module) olarak lineer ve yüzey modülleri kombinasyonunda sunuluyor. Bunun yanı sıra uygulama alanına bağlı olarak serbest şekil optiği ile oluşturulabilen özel lens tasarımları bulunuyor. Böylece, bir alüminyum reflektör ile karşılaştırıldığında takım maliyeti göreceli olarak yüksek ancak kalıp maliyetine göre daha düşük ve tüm bunlar genelde malzeme seçimine bağlı. Kaliteli temel malzeme (örneğin tıbbi PMMA) fiyata olumsuz yansıyor ancak tüm bu ilave giderler kullanım ömrü açısından olumlu etki yaratıyor. Yüksek UV ışınlarına dayanıklılık malzemenin renk değiştirerek bulanıklaşmasını ve gevrekleşmesini engelliyor. Bu durum da başlıca argüman olarak sayılıyor.

Lensin ışığı yönlendirmedeki avantajına karşı etki derecesindeki dezavantajı duruyor. Lens aracının havaya göre sınır yüzeylerinde Fresnel kayıplar bulunuyor. Bunun yanı sıra; üç milimetrelik PMMA (Polimetilmetakrilat) veya PC (polikarbonat) transmisyon derecesi ile %90 ya da %95 ile bariz bir şekilde en yaygın olarak kullanılan lens malzemesi olan ve %98’e kadar çıkabilen “Alanod”un ön anotlanmış Miro-Silver® ürününün altında kalıyor.

Lenslerin en önemli dezavantajı her şekilde ışığın, bir ortam içinde dalga boyuna bağlı olarak kırılması ki bu “dispersiyon” olarak adlandırılıyor. Bu süreçte uzun dalgalı kırmızı ışık kısa dalgalı mavi ışığa göre daha az yoğunlukta kırılıyor. Böylece kromatik ışık sapmaları ile birçok lenste güzel olmayan renk kenarları oluşuyor. Renk kenarları lens yüzeyinin işlenmesi ile azaltılabilir ancak bu işlemin yansıma açısı ve verimliliğe etkisi oluyor. Tekli LED lenslerinin yanı sıra, lineer lambalarda tercih edilen lens dizileri de var. Burada çoğu zaman tekli LED’ler çözülmüyor ve çok yüksek noktasal ışıma nedeniyle rahatsız edici kamaşmalara sebep oluyor. Bunun yanı sıra lineer sistemlerde sadece ışığı yönetmek için değil aynı zamanda sistemi korumak için de kalıptan çekilmiş Fresnel lensleri kullanılıyor. Böylece, kapalı bir sistemin çok gerekli olduğu yerlerde, örneğin belli bir koruma sınıfına (IP65) uymak için veya SELV olmayan sistemlerde başka bileşenin kullanılmasına gerek kalmıyor. Geleneksel lenslerle karşılaştırıldığında Fresnel lenslerinin şekli daha düz ve daha hafifler. Ancak, uygulamada, Fresnel lenslerinin optik performansı teorideki kadar iyi değil. Bunun nedeni segman geçişlerinde (keskin kenarlar yerine yarı çap) üretimden kaynaklanan belirsizliklerin olmasıdır.

Malzemeyi bulanıklaştırmak suretiyle ortaya çıkan çizgilerin üzeri bir şekilde “kirletilmiş” oluyor ve ışık akışı eşit seviyeli gerçekleşiyor. Bunun dışında yaratılan ışığın üzerine gelme açısına göre toplam yansımanın yanı sıra sınır oluşturan segmanlara tekrar eklenmesi mümkün. Bu açıdan bir reflektör kombinasyonu tavsiye ediliyor. Böylece geriye doğru dağıtılan ışık tekrar öne yönlendiriliyor ve sistemin verimliliği artıyor.

Reflektörler

Klasik (Paraboloit) reflektörlerde (Resim 3) sadece halojen metal buharlı lambalar gibi konvansiyonel ışıklıklar kullanılmıyor, ışık kaynağının ışığı yayan yüzeyi büyük olduğunda LED’lerde de kullanılıyor. Bu Chip-On-Board (COB) modüllerinde yüksek sayıda LED çipi ortak bir fosfor katmanı ile kaplanıyor. Örneğin Citizen firmasının yeni jenerasyon ürünlerinde 33 mm çaplı bir LES’in üzerinde örneğin 450 çip bulunuyor. Bunlar 4000K’lık bir renk ısısında toplam 16.000lm’lik nominal ışık akısı oluşturuyor. Öncelikle çok büyük oldukları ve termik yükü kaldıramayacakları için bu tür lambalarda TIR lensleri kullanılamaz. Geriye Lensin daha önce belirtilen dezavantajları ile birlikte alüminyum ve alüminyum katmanlı plastik reflektörler arasında seçim yapmak kalıyor. Alüminyum reflektörlere göre plastik reflektörlerin fiyatları daha düşük iken takım maliyeti daha yüksek oluyor. Lenslerde olduğu gibi plastik reflektörler de döküm olarak üretiliyor.

Fiyat farklılıklarının yanı sıra çıkış malzemesinden dolayı da iki reflektör türü arasında başka farklılıklar meydana geliyor. Parça anotlanmış, baskı alüminyum reflektörlere ve plastik reflektörlere göre sert anotlanmış malzemenin yansıma derecesi (%98’e kadar) daha yüksek. Belirtilen son iki etki derecesi neredeyse aynı ve yaklaşık olarak %85 civarında. Sert anotlanmış malzemenin bir başka avantajı da; genelde aletlere ihtiyaç duyulmayacağı için hızla bir prototip oluşturulabilmesi. Bunun yanı sıra alüminyum reflektörler mekanik açıdan daha dayanıklı ve plastik örneklerine göre termik açıdan daha fazla yük kaldırabiliyor. Kullanım ömrü uzuyor ve ışık yönlendirme işlevinin yanı sıra LED’lerin ısısını da aynı zamanda yönlendirebiliyor. Bu şekilde daha düşük bir işletme ısısı ve daha yüksek bir ışık akımı ile uzun sistem ömrü elde ediliyor. Bu durum, hem anotlanmış malzemeden yapılmış hem de parça anotlanmış reflektörler için geçerli. Anotlama esnasında ortaya çıkan oksit katmanı çok sert ve bu şekilde temel malzemeyi mekanik ya da havaya bağlı etkilerden ve korozyona karşı koruyor.

Reflektörün dezavantajı ise ışığın tamamını yönlendirmemesi ve doğrudan ışık miktarı ile bir yan ışık alanının oluşması. Dar spotlarda bu durum çok rahatsız edici olabiliyor (Resim 4). Uygun reflektör geometrisi ile bu probleme bir çözüm getirilebiliyor. LED’leri doğru yerleştirerek veya iki reflektörden oluşan bir sistem ile ışığın tamamı yönlendiriliyor ve böylece yayılan ışık miktarı engelleniyor (Resim 5 ve 6). Bu tür bir reflektör sisteminde primer reflektör genellikle çok parlak bir malzemeden oluşuyor. İkincil reflektör ise LED’in olası renk kaymalarını dengelemek için difüz yansıma yapan bir yüzeye sahip. Sistemlerin %90’nında belirtilen yansıma dereceleri açısından %98’e kadar ulaşmak mümkün. Lenslere göre bu şekilde sistemin verimliliği çok daha yüksek. Daha az bir yapı şekline sahip olmaları avantaj olarak görülebilir. Bu tür dolaylı sistemlerin kullanımı ile genelde bazı izleyicilerin çok güzel olarak algılamadığı, LED’leri doğrudan görme de engelleniyor. Lineer lambaların içindeki reflektör sistemleri her bir ışık noktasının çözülmesini ve böylece objenin eşit oranda aydınlatılmasını sağlıyor. Böylelikle izleyicinin gözünün kamaşmasına neden olan gereksiz yüksek ışıma yoğunluklarını engelliyor.

Difüzör ve prizma plakaları

Lineer ve yüzey lambalarında kullanılan diğer optikler difüzör ve prizma plakalarıdır. Difüzör plakaları (Resim 7) ışığı yönlendiren değil ışık yayan optiklerdir. Lambert ışıma özelliği ile çok eşit orantılı bir ışık üretiyor. Ancak kamaşma etkisi nedeniyle, ekran bulunan çalışma yerleri için uygun değil. Özellikle 65°’lik açı içinde kamaşma koruması bu tür sistemlerde mevcut değil.

Alternatif olarak prizma plakaları (Resim 8) sunuluyor. Prizma plakaları ile ışık yayma açısı kontrol ediliyor ve böylece çepe çevre kamaşma engelleniyor. Prizma şekli ve plaka malzemesinin seçimi ile ışığın sapma açısı tanımlanabiliyor. Ancak, uygulamalarda LED modül ile bu plakaların kombinasyonunda her zaman >19’luk UGR değerinin sağlanamadığı görülüyor. Difüzör ve prizma plakalarının reflektör sistemlerine göre avantajı; lens sistemlerinde olduğu gibi optik işlevlerinin yanı sıra sistemin korumasını sağlıyor olması.

Lensli bu tür optikler ayrıca Fresnel kaybının dezavantajlarını da paylaşıyor. Burada da gereken yerlerde bir reflektör kombinasyonu anlamlı olabilir. Yine lensler ile karşılaştırıldığında malzemeye özgü, hava şartları ve yaşlanmaya bağlı problemler, lenslerin bulanıklaşması veya malzemenin sararması gibi dezavantajları bulunuyor. Bu nedenle, lenslerde olduğu gibi malzemenin kullanım ömrünü korumak için yüksek kaliteli temel malzemenin kullanılması gerekir.

Sonuç

Farklı optik prensiplerinin avantaj ve dezavantajları konusunda genelleme zor yapılıyor. Sadece siyah ve beyaz yok. Birçok şey uygulama durumu, çevre koşulları ve planlamacıların tercihlerine bağlı. Plastik optikler kalıp yöntemi ile üretilmenin avantajlarını beraberinde getiriyor. Bu avantajlar; istenilen şekli üretebilme, hızla çoğaltma ve düşük toleranslar olarak sayılabilir. Özellikle daha küçük şekilli optiklerde alüminyum reflektörlere göre çok daha fazla avantaj bulunuyor. Fiyat konusu tam olarak kesin olamıyor. Bir taraftan standart ürünler ve özel çözümler arasında fark gözetmek gerekiyor. Diğer taraftan, birim fiyat ve imalat maliyetleri kıyaslanacak ise, üretim mikarı büyük önem taşıyor.

Ayrıca özellikle plastik optiklerde kullanım ömrü ve UV dayanıklılığı tamamen üretim malzemesinin kalitesine bağlı. Tek sabit olan fiziksel sınırları. Lenslerde ve prizma plakalarında olduğu gibi transmisyon ile ışık yönlendirmede her zaman ışık saçımı oluşuyor. Buradan doğan kromatik aberasyon yüzeyin işlenmesi ile biraz azaltılabilir. Böylece renk kenarları yine kısmen karışacaktır. Havadan ortama geçişte görülen Fresnel kayıpları da yüzeye katman uygulamak suretiyle azaltılabilir. Tüm bunlar bir hayli işlem ve yüksek maliyet gerektiriyor. Alüminyum reflektörlerde de avantaj ve dezavantajları genellemek mümkün değil. Yüksek etki derecesi daha çok anotlanmış malzemeden yapılmış reflektörler için geçerli. Parça anotlanmış reflektörler bu alanda plastik reflektör veya lenslerden çok farklı değil. Hızlı prototip oluşturma ve düşük takım maliyeti gibi avantajlar da sert haddelenmiş malzemeden yapılmış reflektörler için artık geçerli değil.

Ancak bir alüminyum reflektörün uzun kullanım ömrüne sahip olduğu genel olarak geçerli. 25 yıl kullanım ömrü ile LED’lerinkine göre bariz daha uzun. Bu süre içinde, uygun bakım aralıkları ile sadece bulanıklaşma veya azami %2’lik aşınma ile yansıma derecesinde azalma oluyor. Bunun yanı sıra, alüminyum reflektörlü bir sistem, yapısı nedeniyle lenslere göre daha az kamaşmaya neden olduğundan, ışığın daha rahat ve eşit orantılı yansımasını sağlıyor. Ayrıca reflektör LED’in açıya bağlı renk kaymalarını, difüz yansımalı yüzeyleri ile çok daha iyi dengeliyor. Dezavantajları tarafında ise kontrol edilemeyen doğrudan ışık miktarına, lenslerde olduğu gibi %100’lük bir ışık yönlendirmesi ile çözüm getiriliyor. LED’lerin ustaca yerleşimi veya iki ya da ikiden fazla reflektörün kombinasyonunda tamamen dolaylı işlev yapan bir sistem uygulanabilir.

Son olarak, belli bir optiğin seçiminde veya tercih edilmemesinde ürünün kendi özellikleri de etki ediyor. Bir optiğin aynı zamanda soğutucu eleman olarak işlev görmesi istendiğinde, bir alüminyum reflektör sunulabiliyor. Sistemin kapalı olması istendiğinde ise bir lens çözümü herhangi ilave kapama gerektirmiyor.

Tablo ve Fotoğraf altları

Resim 1 - TIR lensi (Karşısında)
Resim 2 - TIR lensinde ışın yolu
Resim 3 - Ön anotlanmış malzemeden yapılmış reflektör
Resim 4- Bir parabol reflektörde ışın yolu.