Dlaczego diody LED tak długo wyglądały jak żarówki?

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

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.

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.

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:

                 
          _{(Kliknij obrazy, aby uzyskać większe wersje)}

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.