Perché i LED hanno impiegato così tanto tempo ad apparire come lampadine?

I LED sono una vecchia tecnologia, perché le industrie hanno impiegato così tanto tempo per metterli nelle lampadine? Mancava qualche lacuna tecnologica?

Non è possibile produrre luce bianca senza un efficiente LED blu, utilizzando i LED RGB o un LED blu + fosforo giallo.

La svolta fu l'invenzione del LED blu al nitruro di gallio ad alta luminosità di Shuji Nakamura a Nichia nei primi anni '90.

Ci è voluto ancora un po 'per ottenere l'efficienza complessiva fino al livello delle lampadine fluorescenti, ed è solo nell'ultimo decennio che i LED sono finalmente arrivati ​​al top.

Ci è voluto molto tempo per produrre LED che presentassero una ragionevole "temperatura di colore" (tonalità di bianco) e un'efficienza adeguatamente elevata. Il normale principio di funzionamento dei LED produce solo una singola banda di luce, come un laser. Quindi quelli bianchi sono fatti di un LED blu o UV e di un emettitore di fosforo.

Per una facile sostituzione di apparecchi di illuminazione convenzionali, le lampadine a LED necessitano anche di un convertitore CA-CC di piccole dimensioni, economico e a corrente costante. In genere si tratta di una sorta di alimentatore a commutazione. Anche questi sono diventati davvero economici e ampiamente disponibili nell'ultimo decennio.

Vedi anche il L-Prize.

La maggior parte delle risposte finora si è concentrata sulla sfida tecnica di replicare la luce bianca con i LED, con lo sviluppo del LED blu che rappresenta il principale passo avanti su quel fronte. È stata menzionata la difficoltà di sviluppare LED blu con efficienza sufficiente per realizzare una lampada pratica. Anche se questo può essere ovvio per la pratica di EE, penso che valga la pena di elaborare più in dettaglio perché un'efficienza troppo bassa rappresentasse un tale ostacolo alla commercializzazione: vale a dire, il semplice vecchio calore .

Un vantaggio spesso citato dai LED è che non producono calore e sono freschi al tatto. Realtà o finzione?

In un certo senso questo è vero: i LED sono freschi al tatto perché generalmente non producono calore sotto forma di radiazione infrarossa (IR) (a meno che ovviamente non siano LED IR). Le radiazioni IR riscaldano le custodie e l'ambiente circostante di lampadine a incandescenza e altre fonti, rendendole calde al tatto. L'assenza di radiazione IR consente di posizionare gli apparecchi a LED in luoghi in cui il riscaldamento da fonti convenzionali causerebbe un problema particolare, ad esempio l'illuminazione di alimenti o tessuti.

Tuttavia, soprattutto, il calore viene prodotto all'interno del dispositivo LED stesso, a causa dell'inefficienza dei processi a semiconduttore che generano luce. L'efficienza della presa a muro (potenza ottica divisa per l'alimentazione elettrica) dei pacchetti LED è in genere compresa tra il 5 e il 40%, il che significa che tra il 60 e il 95% della potenza in ingresso viene persa sotto forma di calore .

L'energia consumata da una lampadina a incandescenza GLS da 100 watt produce circa il 12% di calore, l'83% di IR e solo il 5% di luce visibile. Al contrario, un tipico LED potrebbe produrre il 15% di luce visibile e l'85% di calore. Soprattutto con i LED ad alta potenza, è essenziale rimuovere questo calore attraverso un'efficace gestione termica. Senza un buon assorbimento di calore, la temperatura interna (di giunzione) del LED aumenta e questo fa sì che le caratteristiche del LED cambino.

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Soprattutto, la temperatura di giunzione influisce sulla durata del LED. A differenza di altre fonti di luce, i LED non tendono a guastarsi catastroficamente (anche se un numero limitato lo fa, specialmente se li cucini); invece, l'uscita del LED diminuisce nel tempo.

_{(enfasi aggiunta)}

_{- T. Whitaker. "Fatto o finzione: i LED non producono calore". LEDs Magazine, maggio 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html}

Una ricerca di Google Immagini per "dissipatore di calore a lampadina a led" rivela un vero e proprio zoo di design per dissipatori di calore:

                 
          _{(Clicca sulle immagini per le versioni più grandi)}

Ho il sospetto che ci sia stato un certo ritardo nella penetrazione del mercato a causa della notevole differenza del fattore di forma richiesto per la gestione termica.

Un altro aspetto minore, non tecnico, che ha contribuito a ritardare di qualche anno sono stati i problemi di brevetto relativi alla produzione di LED blu.

Nichia, dove lavorava Nakamura, aveva molti brevetti chiave GaN (nitruro di gallio), ma non tutti. Altri, come Cree (brevetti SiC) e Toyoda Gosei (altri brevetti LED) avevano altri brevetti chiave necessari per produrre LED blu ad alto volume.

I problemi tecnici sono stati generalmente risolti alla fine degli anni '90, ma i grandi lettori di LED non stavano producendo alcuna quantità di LED blu (in parte, principalmente?) A causa di problemi di brevetti.

Alla fine del 2002, furono conclusi alcuni importanti accordi di brevetto di cross-licesning e in 1-2 anni vi fu un enorme aumento del volume dei LED blu prodotti.

Cree e Nichia annunciano un accordo di licenza di brevetto e di risoluzione delle controversie http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia e Toyoda Gosei risolvono la controversia sui LED http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

Non trascurare nemmeno il semplice fatto del costo.
Le lampadine a incandescenza ordinarie possono essere realizzate per pochi centesimi e vendute per non molto altro.

Questa è una questione di economia e inerzia pubblica. La tecnologia legacy è più economica da produrre a causa di investimenti a lungo termine in infrastrutture e produzione in serie. La nuova tecnologia deve passare attraverso problemi di finanziamento, investimenti iniziali, costruzione di infrastrutture, marketing, fasi iniziali dell'adozione anticipata, accordi di distribuzione, ecc. Se non fosse per la legislazione degli Stati Uniti che prevede un modo per nuove tecnologie, la maggior parte sarebbe ancora incandescente invece dell'attuale mix di incandescenza, CFL, led. Non è una mano invisibile capitalistica naturale delle forze del libero mercato , ma un'adozione forzata.

I vantaggi dei led sono secondi per la maggior parte delle persone, che sono letargiche nell'adozione della tecnologia, soprattutto a fronte di costi iniziali più elevati. . La maggior parte delle persone si oppone a una lampadina a LED da 20 dollari rispetto a una 3 per $ 3 a incandescenza, anche se la lampadina a LED sopravviverà a 20 lampadine a incandescenza a metà del costo operativo. È solo ora che le singole lampadine a led scendono nella gamma di 5 ~ 10 dollari che le persone si stanno davvero muovendo verso di esso.

Il problema era creare luce bianca naturale. La luce del giorno normale ha uno spettro di frequenze, ma i led possono produrre solo su determinate lunghezze d'onda. Quindi gli ingegneri avevano inventato materiali diversi per produrre lunghezze d'onda diverse. quindi diversi led vengono mescolati insieme in modo che la luce risultante sia praticamente bianca naturale.

In primo luogo, circa 40 anni fa, hanno inventato il LED rosso. Poi vennero progressivamente i colori blu / verde / altri in seguito a diverse evoluzioni tecnologiche. Inoltre, i primi diodi non erano molto potenti.

Quindi, il problema era creare diodi a emissione di luce bianca e renderli abbastanza potenti da essere competitivi contro le lampadine, che sono successe solo meno di 10 anni fa. E i diodi bianchi sono ancora molto costosi, ma il costo è ampiamente compensato dalla loro durata. Prova a cercare il prezzo di una singola Audi / BMW / qualunque sia il faro a led completo e capirai.

Ogni applicazione di illuminazione ha le sue esigenze, e di solito quelle sono state risolte per più di cento anni. Le nuove soluzioni sono raramente superiori sia in termini di qualità che di costo sin dall'inizio. Un altro esempio non ancora menzionato è il CRI (Color Rendering Index).

Mentre le lampadine a incandescenza hanno una risposta spettrale simile a un corpo nero (quindi abbiamo il sistema di temperatura del colore), l'illuminazione a LED bianchi no.

Anche quelli con un "ultra alto CRI" commercializzato di quasi 100 come nell'immagine qui sopra (qualche colpo di ricerca di immagini di Google) producono solo un'emissione luminosa superficialmente simile a quella delle lampadine a incandescenza o del sole.

Per molte applicazioni questo va bene, ma soprattutto le difficoltà di rendere il colore della pelle lo rendono inadatto non solo per molte applicazioni multimediali, ma rende anche le persone nel tuo salotto un po 'malate.

Anche alcune altre aree hanno bisogno di una corretta resa del colore, come le persone che vendono oggetti in cui il colore è importante.

Tutto questo potrebbe essere una piccola parte, ma tutte le altre risposte hanno menzionato altri punti che potrebbero essere piccoli di per sé, ma in totale danno al mercato abbastanza inerzia come se non ci fossero stati tutti quei piccoli problemi all'inizio.

Porta la tecnologia di domani con piccoli LED bianchi SMPS e 99CRI economici fino al 1997 e tutti passeranno quasi immediatamente a quella tecnologia.

Dovevano anche ottenere la tensione e l'amperaggio corretti attraverso i LED per farli durare quasi per sempre e ottenere il bianco più luminoso sui LED bianchi dove non importava tanto sui LED rossi, verdi, ecc. Le lampadine a incandescenza possono costare qualche centesimo da realizzare, ma da quando sono uscite le lampadine fluorescenti compatte a spirale che avrebbero dovuto durare per anni ma non lo sono affatto, le lampadine a incandescenza sono meno dove le acquisti e sono aumentate un po 'di prezzo e da allora usano una tensione più bassa, vedo che le lampadine CFL diventano sempre più economiche per non durare più a lungo come fanno ora e le lampadine a incandescenza diventano più alte.