Dlaczego diody LED tak długo wyglądały jak żarówki?

71

Diody LED to stara technologia, dlaczego branże tak długo zajmowały się umieszczaniem ich w żarówkach? Czy brakuje jakiejś luki technologicznej?

PDuarte
źródło
nieco powiązane wideo: Pierwsze diody elektroluminescencyjne. Wykazało, jak niska była skuteczność wczesnych diod LED.
Nick Alexeev
10
Z pewnych perspektyw jest to nowa technologia ... Wydaje mi się, że nigdy nie miałeś ochoty na „och wow, ten nowy kolor LED jest teraz na rynku,
chodźmy
@plasmahh dokładnie. A ten wysoki koszt z kolei oznacza, że ​​producent nie może masowo produkować i obniżać cen. Złap 22 nowych ekonomii technologii.
Passerby
Przemysł Asmyldof zwykł umieszczać diody LED w oświetleniu z powrotem, zanim pojawiły się niebieskie diody LED w latach 90-tych. Ale staje się męczące po pewnym czasie wlutowania 300 żółtych diod LED w jedną lampkę nocną, więc wyprodukowano tylko kilka, a tylko jedna przetrwała do dziś. ;-)
Asmyldof

Odpowiedzi:

83

Nie jest możliwe wytwarzanie białego światła bez wydajnej niebieskiej diody LED, przy użyciu diod RGB lub niebieskiej diody LED + żółtego luminoforu.

Przełomem było wynalezienie przez Shuji Nakamurę w Nichii na początku lat dziewięćdziesiątych niebieskiej diody LED o wysokiej jasności azotku galu .

Dopiero po pewnym czasie ogólna wydajność osiągnęła poziom świetlówek i dopiero w ostatniej dekadzie diody LED wreszcie wyszły na wierzch.

Dave Tweed
źródło
4
To wyjaśnia biel, ale co na przykład z sygnalizacją świetlną? Zaczęli rzucać czerwone / żółte / zielone światła LED do wczesnych lat 2000, przynajmniej w miastach w północno-zachodniej części USA. Czy w nich też używają niebieskiego?
Jason C
20
@JasonC: Jasne czerwone, bursztynowe i zielone diody LED są już od dłuższego czasu. Jednak nie sądzę, aby początkowo istniała duża motywacja do tworzenia żarówek. Po pierwsze, istnieje poważna wada: nie ogrzewa się wystarczająco, aby oczyścić się ze śniegu! Wydaje mi się, że dopiero w ostatnim dziesięcioleciu korzyści skali wynikające z produkcji lamp do innych zastosowań sprawiły, że ekonomicznie jest również produkować żarówki sygnalizacyjne.
Dave Tweed
22
Zauważ, że niebieska dioda LED o wysokiej jasności była wystarczająco dużym przełomem, że Nakamura wraz z dwoma swoimi współpracownikami (Akasaki i Amano) zdobył za nią Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku.
Michael Seifert
14
Nawiasem mówiąc, możesz wykorzystać ten fakt, aby natychmiast datować dzieła science fiction w telewizji lub filmach. Na przykład w Star Trek, TNG, za każdym razem, gdy otwierają czaszkę Data, aby pokazać swoją pozytronową sieć, jest tam mnóstwo migających diod LED - wszystkie czerwone, żółte lub zielone, ponieważ to właśnie projektanci mieli do dyspozycji w tym czasie .
Darrel Hoffman
6
Pracowałem w (małym, niesieciowym) detalicznym sklepie elektronicznym zaraz po pojawieniu się niebieskich diod LED o wysokiej jasności (około 2000). Czerwony / zielony / żółty sprzedawano luzem za grosze, a pojedynczą niebieską diodę LED o wysokiej jasności sprzedawano w blistrze za około 10 USD MSRP.
SevenSidedDie
29

Dużo czasu zajęło wyprodukowanie diod LED o rozsądnej „temperaturze barwowej” (odcień bieli) i odpowiednio wysokiej wydajności. Normalna zasada działania diod LED wytwarza tylko jeden pas światła, jak laser. Więc białe są wykonane z niebieskiej lub UV LED i reemitera luminoforu.

Do łatwej wymiany konwencjonalnych opraw oświetleniowych żarówki LED również potrzebują niewielkiej, taniej przetwornicy prądu stałego na prąd stały. Zazwyczaj jest to rodzaj zasilacza impulsowego. Te również stały się naprawdę tanie i powszechnie dostępne w ciągu ostatniej dekady.

Zobacz także nagrodę L.

pjc50
źródło
5
Emisja LED jest znacznie szersza spektralnie niż laser. Lasery są wyjątkowo monochromatyczne, ponieważ zapewniają mechanizm sprzężenia zwrotnego (emisja stymulowana), który koncentruje wzmocnienie optyczne w bardzo wąskim paśmie długości fali. Z drugiej strony diody LED wytwarzają raczej szeroką emisję widmową. Na przykład nie ma efektów koherencji z diodą LED (plamka, interferencja itp.)
J ...
@ J ...: There are no coherency effects with an LED- nie ma efektów koherencji z niektórymi diodami LED. Są z innymi. Konkretnie, w tak zwanych laserowych diodach LED występują efekty koherencji (fizyka.se pyta się, czy takie lasery powinny być nazywane „laserami”, ponieważ światło spójne powstaje bez wspomagania emisji)
Slebetman
4
@slebetman Diody laserowe to nadal lasery iz pewnością wykorzystują emisję wymuszoną.
J ...
Wiele żarówek LED (być może większość, szczególnie tych tańszych) używa prostego pojemnościowego zakraplacza, a nie trybu przełączania.
grahamparks
16

Większość dotychczasowych odpowiedzi koncentrowała się na wyzwaniu technicznym polegającym na replikacji białego światła za pomocą diod LED, przy czym rozwój niebieskiej diody LED był głównym przełomem na tym froncie. Wspomniano o trudnościach w opracowaniu niebieskich diod LED o wydajności wystarczającej do stworzenia praktycznej lampy. Chociaż może to być oczywiste w praktyce EE, myślę, że warto bardziej szczegółowo wyjaśnić, dlaczego zbyt niska wydajność stanowi taką przeszkodę w komercjalizacji: mianowicie zwykłe stare ciepło .

Często cytowaną zaletą diod LED jest to, że nie wytwarzają ciepła i są chłodne w dotyku. Fakt czy fikcja?

W pewnym sensie jest to prawdą: diody LED są chłodne w dotyku, ponieważ generalnie nie wytwarzają ciepła w postaci promieniowania podczerwonego (IR) (chyba że oczywiście są to diody IR). Promieniowanie podczerwone ogrzewa obudowy i otoczenie żarówek i innych źródeł, dzięki czemu są gorące w dotyku. Brak promieniowania IR umożliwia umieszczenie opraw LED w miejscach, w których ogrzewanie z konwencjonalnych źródeł spowodowałoby szczególny problem, np. Oświetlenie żywności lub tekstyliów.

Jednak najważniejsze jest to, że ciepło wytwarzane jest w samym urządzeniu LED z powodu nieefektywności procesów półprzewodnikowych generujących światło. Wydajność wtyczki ściennej (moc optyczna podzielona przez moc elektryczną) pakietów LED wynosi zwykle w zakresie 5-40%, co oznacza, że ​​około 60 do 95% mocy wejściowej jest tracone w postaci ciepła .

Energia zużywana przez 100-watową żarówkę GLS wytwarza około 12% ciepła, 83% IR i tylko 5% światła widzialnego. Natomiast typowa dioda LED może wytwarzać 15% światła widzialnego i 85% ciepła. Zwłaszcza w przypadku diod LED dużej mocy konieczne jest usunięcie tego ciepła dzięki wydajnemu zarządzaniu temperaturą. Bez dobrego pochłaniania ciepła wzrasta temperatura wewnętrzna (złącze) diody LED, co powoduje zmianę właściwości diody LED.

...

Co najważniejsze, temperatura złącza wpływa na żywotność diody LED. W przeciwieństwie do innych źródeł światła, diody LED nie mają tendencji do katastrofalnego uszkodzenia (choć niewielka ich liczba, szczególnie jeśli je ugotujesz); zamiast tego moc wyjściowa diody LED maleje z czasem.

(podkreślenie dodane)

- T. Whitaker. „Fakty czy fikcja - diody LED nie wytwarzają ciepła”. Magazyn LEDs, maj 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produ-heat.html

Wyszukiwarka grafiki Google dla „radiatora z żarówką led” ujawnia istne zoo projektów radiatorów:

         Radiatory 1    Radiatory 2    Radiatory 3
          (Kliknij obrazy, aby uzyskać większe wersje)

Podejrzewam, że nastąpiło pewne opóźnienie w penetracji rynku ze względu na uderzającą różnicę kształtu wymaganą do zarządzania temperaturą.

hBy2Py
źródło
5
Kilka osób wspomniało już o poprawie wydajności, co jest tym samym, co wytwarzanie mniejszego ciepła na lumen. Zauważ też, że pierwszy artykuł pochodzi z 2005 roku, który jest bardzo dawno temu, biorąc pod uwagę szybkość ewolucji diod LED.
Nick Alexeev
3
@NickAlexeev zastosowań widzę od efektywności we wszystkich odpowiedzi tak daleko są pojedyncze zastosowania wyrazu albo w krótkich fraz. Jestem chemikiem, a nie energią elektryczną, więc być może moja intuicja jest krzykliwa dla EE.SE, ale kiedy je czytam, słyszę, że kosztują zbyt wiele, ponieważ zużywają zbyt dużo prądu , a nie wytwarzają tyle ciepła, że ​​same się uszkadzają . Czułem, że uzasadniono więcej szczegółów na temat praktycznych aspektów zarządzania ciepłem. Przepraszam, że zablokowałem ci kciuk w oku.
hBy2Py
2
@Brian Żarówki wytwarzają więcej ciepła niż diody LED. Ale są również bardziej tolerancyjne na ciepło, ponieważ nie mają elektroniki. Diody LED wytwarzają mniej ciepła niż żarówki. Są jednak również mniej tolerancyjne na temperaturę, ponieważ mają na pokładzie elektronikę. Więc co, powiedzmy, 3W ciepła odpadowego wśród przyjaciół? Cóż, 3W w rachunku za prąd nie stanowi większego problemu (właśnie zaoszczędziliśmy może 70W w porównaniu z żarowymi). Z drugiej strony, problem z odrzuceniem dodatkowych 3 W stanowi problem, ponieważ dodatkowe pochłanianie ciepła zwiększa koszt.
Nick Alexeev
2
@ DanNeely Są to jednak osobne rzeczy. Poza „diodami LED są fajne w dotyku, ponieważ generalnie nie wytwarzają ciepła w postaci promieniowania podczerwonego (IR)”, co jest błędem, ponieważ diody LED są chłodne, ponieważ są urządzeniami o niższej mocy na lumen, opis cytatu jest całkowicie dokładne. Promieniowanie IR nie jest ciepłem. Większość materiałów pochłania IR bardzo łatwo, co prawda, zamieniając go w ciepło tam, gdzie uderza, ale IR przenosi gaz i próżnię z prędkością światła, podczas gdy ciepło nie. Zatem w żarówkach 1 W ciepła jest bardziej zlokalizowane niż 1 W IR.
hBy2Py
7
Technicznie rzecz biorąc, żarówki są jedynie rezystorami, które mogą wytwarzać jedynie ciepło. Ciepło to przekształca się w podczerwień i światło przez promieniowanie ciała czarnego . Tak żarówki powoduje 100% ciepła , która jest rozproszona w różny sposób: 88% przez promieniowanie i 12% za pomocą wymiany ciepła.
Dmitrij Grigoryev
12

Innym drobnym, nietechnicznym aspektem, który przyczynił się do kilkuletniego opóźnienia, były kwestie patentowe związane z produkcją niebieskich diod LED.

Nichia, gdzie pracował Nakamura, miał wiele kluczowych patentów GaN (azotek galu), ale nie wszystkie. Inne, takie jak Cree (patenty SiC) i Toyoda Gosei (inne patenty LED) miały inne kluczowe patenty niezbędne do produkcji niebieskich diod LED w dużych ilościach.

Problemy techniczne zostały na ogół ustalone pod koniec lat 90., ale duzi gracze LED nie produkowali żadnej ilości niebieskich diod LED (częściowo, głównie?) Z powodu problemów z patentami.

Pod koniec 2002 r. Zakończono kilka kluczowych porozumień dotyczących krzyżowania patentów i w ciągu 1-2 lat nastąpił ogromny wzrost produkcji niebieskich diod LED.

Cree i Nichia ogłaszają umowę o licencję krzyżową i rozstrzyganie sporów http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia i Toyoda Gosei rozstrzygają spór LED http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

Jake Peters
źródło
5
Dlatego system patentowy to śmieci
Passerby
7

Nie zapomnij też o prostym koszcie.
Zwykłe żarówki można wytwarzać za grosze i sprzedawać za niewiele więcej.

R Drast
źródło
4
Wykonanie żarówki nie jest wcale trywialne - delikatny nawinięty drut z wolframu (trudny materiał do pracy), należy bardzo ostrożnie zawiesić w dobrze zamkniętej żarówce ... to oczywiście produkcja masowa obniżyła ceny , ale pojedyncze diody LED małej mocy od dawna są tańsze niż jakakolwiek inna żarówka.
leftaroundabout
6
Pojedyncze diody LED małej mocy mogły być tańsze niż żarówki, ale oświetlenie tych pomieszczeń zajęłoby dużo diod LED 20 mA. Istotnym czynnikiem w wyglądzie użytecznych lamp LED było wycofanie, które miało miejsce w wielu krajach w ciągu ostatnich 10 lat, co powstrzymało diody LED przed konkurowaniem z tanimi poprzednimi status quo.
Guntram Blohm
Jeśli weźmiesz pod uwagę koszt energii elektrycznej, światła LED są tańsze niż żarówki. Dioda LED o mocy 10 W wytwarza taką samą ilość światła jak żarówka o mocy 60 W. To oszczędność energii 50 kWh na 1000 godzin. Tam, gdzie mieszkam (w Szwecji), to jest 10 $ zniżki na rachunki za prąd za 1000 godzin czasu spalania, a diody LED zwykle wystarczają na kilka tysięcy godzin.
Klas Lindbäck
Chociaż zgadzam się, że koszty eksploatacji w końcu się zwracają, pytanie dotyczyło tego, dlaczego pojawienie się żarówek LED o użytecznej intensywności i kolorze trwało tak długo. W domu zmieniam się, gdy wszystko się wypala, ale nadal żarówki żarowe kosztują około 2 dolarów za opakowanie 2 sztuk, przy czym diody LED o przyzwoitej jakości zaczynają się od około 10 USD za sztukę.
R Drast
1
Istnieją również ogólne nastawienie opinii publicznej i kwestie prawne: producenci lamp fluorescencyjnych prowadzili kampanię i uchwalali przepisy prawne dotyczące żarówek. Stworzyło pustkę wypełnioną przez diody LED (zamiast fluorescencyjnych).
Agent_L
6

Jest to kwestia ekonomii i bezwładności publicznej. Starsza technologia jest tańsza w produkcji ze względu na długoterminowe inwestycje w infrastrukturę i masową produkcję. Nowa technologia musi przejść przez kwestie związane z finansowaniem, początkowymi inwestycjami, budową infrastruktury, marketingiem, powolnymi wczesnymi etapami adopcji, umowami dystrybucyjnymi itp. Gdyby nie ustawodawstwo w USA wymuszające drogę dla nowych technologii, większość nadal byłaby żarliwa zamiast obecnej mieszanki żarówek, CFL, led. To nie jest naturalne kapitalistyczny niewidzialna ręka wolnego rynku sił , ale wymuszone przyjęcie.

Korzyści z diod LED plasują się na drugim miejscu wśród większości ludzi, którzy są ospali w przyjmowaniu technologii, szczególnie w obliczu wyższych kosztów początkowych. . Większość ludzi żałuje, że żarówka ledowa za 20 dolarów w porównaniu do żarówki 3 za 3 USD za żarówkę, nawet jeśli żarówka led przetrwa 20 żarówek za połowę kosztów operacyjnych. Dopiero teraz, gdy poszczególne żarówki ledowe spadają do zakresu 5 ~ 10 dolarów, ludzie naprawdę zmierzają w tym kierunku.

Przechodzień
źródło
3
„To kwestia ekonomii i bezwładności publicznej”. Jest to również kwestia tego, czy diody LED (a zwłaszcza białe diody LED) nie są tak stare jak technologia, jak przypuszcza pytanie.
David Richerby
@davidricherby i żarowa technologia poprzedziły Edisona przez lata, ale jego pracownik stworzył tanią, trwałą wersję, którą bardzo dobrze sprzedał. Data utworzenia nie jest tak ważna.
Passerby
2

Problem polegał na stworzeniu naturalnego białego światła. Normalne światło dzienne ma w sobie spektrum częstotliwości, ale diody led mogą wytwarzać tylko przy określonych długościach fal. Inżynierowie wymyślili różne materiały, aby wytwarzać różne długości fal. następnie mieszane są różne diody LED, więc powstałe światło jest prawie naturalnie białe.

thorb3n
źródło
2
W rzeczywistości białe diody LED używają ultrafioletu, a dziś bardziej typowo niebieskiej diody LED, aby stymulować warstwę luminoforu, która emituje białe światło. Prawdą jest, że gdy widzisz duży panel wideo, używa on wielu diod LED koloru podstawowego, a ludzkie oko widzi mieszane diody LED.
Craig K
1

Po pierwsze, około 40 lat temu, wynaleźli czerwoną diodę LED. Potem pojawiły się stopniowo kolory niebieski / zielony / inne w następstwie ewolucji różnych technologii. Również pierwsze diody nie były bardzo mocne.

Problem polegał więc na wytworzeniu diod emitujących białe światło i nadaniu im mocy wystarczającej do konkurowania z żarówkami, co miało miejsce niecałe 10 lat temu. Białe diody są nadal bardzo drogie, ale ich koszt jest w dużej mierze rekompensowany ich trwałością. Spróbuj poszukać ceny pojedynczego Audi / BMW / cokolwiek z pełnym reflektorem LED, a zrozumiesz.

MaximGi
źródło
4
Niebieskie diody LED pojawiły się bardzo późno. Początkowo był czerwony. Następnie zielony. Następnie żółcienie i pomarańcze. Wiele lat musieliśmy czekać na niebieski, a wczesne były koszmarnie drogie i mało wydajne.
Simon B
1
@ SimonB Książka opisująca proces rozwoju może być zatytułowana „ Band Gaps on Rack” . :-)
hBy2Py
Reflektory samochodowe są złym przykładem; ich wysokie ceny wynikają z innych czynników, LED lub nie. Białe diody LED dużej mocy zamontowane na gwieździe nie są strasznie drogie; można je dostać w małych ilościach za mniej niż 5 USD za sztukę. Dostępne są latarki z tymi emiterami już za 10-20 USD.
Taudris
1

Każde zastosowanie oświetlenia ma swoje wymagania i zwykle są one rozwiązywane przez ponad sto lat. Nowe rozwiązania rzadko od samego początku są lepsze zarówno pod względem jakości, jak i kosztów. Innym jeszcze nie wspomnianym przykładem jest CRI (Color Rendering Index).

Podczas gdy żarówki mają reakcję spektralną podobną do ciała czarnego (stąd mamy system temperatury barwowej), białe oświetlenie LED nie.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Nawet te z „ultra wysokim CRI” na rynku wynoszącym prawie 100, jak na powyższym obrazku (niektóre wyszukiwania w wyszukiwarce obrazów Google), wytwarzają jedynie pozornie podobny strumień świetlny jak żarówki lub słońce.

W przypadku wielu aplikacji jest to w porządku, ale zwłaszcza trudności z renderowaniem koloru skóry sprawiają, że nie nadaje się nie tylko do wielu zastosowań medialnych, ale także sprawia, że ​​ludzie w twoim salonie wyglądają na chorych.

Również niektóre inne obszary wymagają prawidłowego odwzorowania kolorów, na przykład osoby sprzedające rzeczy, w których kolor jest ważny.

To wszystko może być niewielka część, ale wszystkie inne odpowiedzi wspomniały o innych kwestiach, które same mogą być małe, ale w sumie dają rynkowi wystarczającą bezwładność, tak jakby na początku nie było tych wszystkich małych problemów.

Zabierz technologię jutra z tanimi małymi SMPS i białymi diodami 99CRI z powrotem do 1997 roku, a wszyscy niemal natychmiast przestawią się na tę technologię.

Plazma
źródło
-4

Musieli także uzyskać prawidłowe napięcie i natężenie przechodzące przez diody LED, aby działały prawie wiecznie i uzyskać najjaśniejszą biel na białych diodach LED, gdzie nie miało to tak samo znaczenia na diodach czerwonych, zielonych itp. Żarówki mogą kosztować grosze, ale odkąd pojawiły się spiralne żarówki fluorescencyjne, które miały trwać latami, ale w żadnym wypadku nie, żarówki są mniej tam, gdzie je kupujesz i wzrosły nieco od tamtej pory. używają niższego napięcia, widzę, że żarówki CFL stają się coraz tańsze i tańsze, aby nie trwały tak długo, jak teraz, a żarówki stają się coraz wyższe.

Jim
źródło
5
Nie jestem zwolennikiem, ale ta odpowiedź jest niespójna i zawiera wiele niepoprawnych i nieobsługiwanych twierdzeń. Sugeruję, abyś poprawił lub wycofał tę odpowiedź.
DrFriedParts
Tania, wydajna konwersja mocy jest rzeczywiście problemem, którego wiele „żarówek” nadal nie rozwiązuje zbyt dobrze, ale twoja odpowiedź nie jest napisana zbyt dobrze.
supercat
Nie jestem też zwycięzcą. Ale „natężenie” to słowo używane w telewizji, a nie na forum EE. Zamiast tego użyj „prądu” :)
Reversed Engineer
Ponadto napięcie nie przechodzi przez diodę LED. Rozumiem, dlaczego zostałeś przegłosowany, chociaż tego nie zrobiłem
Reversed Engineer