Почему светодиоды так долго выглядели как лампочки?

Светодиоды - это старая технология, почему индустрии понадобилось так много времени, чтобы поместить их в лампочки? Был ли пропущен технологический разрыв?

Невозможно произвести белый свет без эффективного синего светодиода, используя светодиоды RGB или синий светодиод + желтый люминофор.

Прорывом стало изобретение яркого синего светодиода нитрида галлия Шуджи Накамура в Никии в начале 1990-х годов.

Потребовалось некоторое время, чтобы поднять общую эффективность до уровня флуоресцентных ламп, и только в последнее десятилетие светодиоды наконец вышли на первое место.

Потребовалось много времени для производства светодиодов, которые имели разумную «цветовую температуру» (оттенок белого) и соответственно высокую эффективность. Обычный принцип работы светодиодов дает только одну полосу света, как лазер. Таким образом, белые сделаны из синего или ультрафиолетового светодиода и излучателя люминофора.

Для легкой замены обычных осветительных приборов светодиодные лампы также нуждаются в небольшом дешевом преобразователе постоянного тока в переменный ток. Обычно это какой-то импульсный источник питания. Они также стали действительно дешевыми и широко доступными в последнее десятилетие.

Смотрите также L-Prize.

Большинство ответов до сих пор были сосредоточены на технической задаче репликации белого света со светодиодами, при этом развитие синего светодиода стало главным прорывом в этом направлении. Некоторые упомянули о сложности разработки синих светодиодов с достаточной эффективностью для создания практичной лампы. Хотя это может быть очевидным для практики ЭЭ, я думаю, что стоит более подробно остановиться на том, почему слишком низкая эффективность представляла такое препятствие для коммерциализации, а именно: просто старое тепло .

Часто цитируемым преимуществом светодиодов является то, что они не выделяют тепло и прохладны на ощупь. Факт или вымысел?

В некотором смысле это так: светодиоды прохладны на ощупь, потому что они обычно не выделяют тепло в виде инфракрасного (ИК) излучения (если, конечно, они не являются ИК-светодиодами). Инфракрасное излучение нагревает оболочки и окружение ламп накаливания и других источников, делая их горячими на ощупь. Отсутствие ИК-излучения позволяет размещать светодиодные светильники в местах, где нагревание от традиционных источников может вызвать особые проблемы, например, освещение продуктов питания или текстиля.

Однако, что особенно важно, тепло вырабатывается внутри самого светодиодного устройства из-за неэффективности полупроводниковых процессов, которые генерируют свет. Эффективность розетки (деление оптической мощности на электрическую мощность) светодиодных пакетов обычно составляет около 5-40%, что означает, что где-то между 60 и 95% входной мощности теряется в виде тепла .

Энергия, потребляемая 100-ваттной лампой накаливания GLS, производит около 12% тепла, 83% инфракрасного излучения и только 5% видимого света. Напротив, обычный светодиод может производить 15% видимого света и 85% тепла. Особенно с мощными светодиодами важно удалять это тепло посредством эффективного управления температурой. Без хорошего отвода тепла внутренняя (соединительная) температура светодиода повышается, и это вызывает изменение характеристик светодиода.

...

Самое главное, температура перехода влияет на срок службы светодиода. В отличие от других источников света, светодиоды, как правило, не выходят из строя катастрофически (хотя их небольшое количество, особенно если вы их готовите); вместо этого мощность светодиода уменьшается со временем.

_{(выделение добавлено)}

_{- Т. Уитакер. «Факт или вымысел - светодиоды не производят тепло». Журнал «Светодиоды», май 2005 г. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html}

Поиск картинок в Google по запросу «теплоотвод со светодиодной лампой» открывает настоящий зоопарк радиаторов:

                 
          _{(Нажмите на изображение для увеличения)}

Я подозреваю, что было некоторое отставание в проникновении на рынок из-за разницы в форм-факторе, необходимом для управления температурным режимом.

Другим незначительным, нетехническим аспектом, который привел к задержке на несколько лет, были патентные проблемы, связанные с производством синих светодиодов.

У Никии, где работал Накамура, было много ключевых патентов GaN (нитрида галлия), но не все. Другие, такие как Cree (патенты SiC) и Toyoda Gosei (другие патенты на светодиоды), имели другие ключевые патенты, необходимые для производства синих светодиодов в большом объеме.

Технические проблемы были, как правило, выяснены к концу 1990-х годов, но крупные игроки на светодиодах не производили никакого количества синих светодиодов (частично, в основном?) Из-за проблем с патентными спорами.

К концу 2002 года было заключено несколько ключевых соглашений о перекрестном лицензировании патентов, и в течение 1-2 лет объем производства синих светодиодов значительно увеличился.

Cree и Nichia объявляют о перекрестном лицензионном соглашении о патентах и ​​урегулировании судебных споров http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Ничиа и Тойода Госей разрешают споры о светодиодах http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

Не забывайте и о простом факте стоимости.
Обычные лампы накаливания могут быть сделаны за копейки, и продаются не намного больше.

Это вопрос экономики и общественной инерции. Устаревшие технологии дешевле производить из-за долгосрочных инвестиций в инфраструктуру и массового производства. Новые технологии должны проходить через проблемы с финансированием, первоначальные инвестиции, создание инфраструктуры, маркетинг, медленные ранние стадии освоения, соглашения о распределении и т. Д. Если бы не законодательство США, навязывающее путь новым технологиям, большинство из них все еще находились бы на лампах накаливания. вместо текущей смеси ламп накаливания, КЛЛ, светодиод. Это не естественная капиталистическая невидимая рука свободного рынка сил , но вынужденное принятие.

Преимущества светодиодов идут вторыми для большинства людей, которые вялы в освоении технологий, особенно перед лицом более высоких начальных затрат. , Большинство людей отказываются от светодиодной лампы на 20 долларов по сравнению с лампой накаливания 3 на 3 доллара, даже если светодиодная лампа выдержит 20 ламп накаливания при половине эксплуатационных расходов. Только сейчас отдельные светодиодные лампы достигли диапазона 5-10 долларов, и люди действительно стремятся к этому.

Проблема заключалась в создании естественного белого света. Нормальный дневной свет имеет спектр частот, но светодиоды могут излучать свет только на определенных длинах волн. Таким образом, инженеры изобрели разные материалы для производства волн различной длины. затем разные светодиоды смешиваются вместе, так что в результате свет получается почти естественным белым.

Во-первых, около 40 лет назад они изобрели красный светодиод. Затем появились прогрессивные синие / зеленые / другие цвета в соответствии с развитием технологий. Также первые диоды были не очень мощными.

Таким образом, проблема заключалась в том, чтобы сделать светоизлучающие диоды белого цвета и сделать их достаточно мощными , чтобы конкурировать с лампочками, что произошло всего менее 10 лет назад. И белые диоды все еще очень дороги, но их стоимость в значительной степени компенсируется их долговечностью. Попробуйте найти цену на одну Audi / BMW / любую фару с полным светодиодом, и вы поймете.

Каждое применение освещения имеет свои требования, и обычно они решаются на протяжении более ста лет. Новые решения редко превосходят по качеству и стоимости с самого начала. Другой, еще не упомянутый пример - CRI (индекс цветопередачи).

В то время как лампы накаливания имеют спектральный отклик, аналогичный черному телу (следовательно, у нас есть система цветовой температуры), освещение белым светодиодом - нет.

Даже те, кто имеет на рынке «сверхвысокое значение CRI», равное почти 100, как на изображении выше (некоторые поиски в поиске картинок Google) действительно производят только внешне похожий световой поток, как лампы накаливания или солнце.

Это хорошо для многих приложений, но особенно трудности с отображением цвета кожи делают его непригодным не только для многих медиа-приложений, но и заставляют людей в вашей гостиной выглядеть несколько больными.

Также в некоторых других областях требуется правильная цветопередача, например, люди, продающие вещи, где цвет важен.

Все это может быть небольшой частью, но во всех других ответах упоминались и другие моменты, которые сами по себе тоже могут быть небольшими, но в целом дают рынку достаточно инерции, как будто в начале не было всех этих маленьких проблем.

Возьмите технологию завтрашнего дня с дешевыми крошечными белыми светодиодами SMPS и 99CRI в 1997 году, и все почти мгновенно переключатся на эту технологию.

Они также должны были получить правильное напряжение и силу тока, проходящие через светодиоды, чтобы они работали почти вечно и получали самый яркий белый цвет на белых светодиодах, где это не имеет большого значения для красных, зеленых и т. Д. Светодиодов. Лампы накаливания могут стоить копейки, но с тех пор, как появились спиральные компактные люминесцентные лампы, которые должны были прослужить долгие годы, но ни в коем случае не так, ламп накаливания меньше, чем вы их покупаете, и их цена немного выросла, и с тех пор они используют более низкое напряжение, и я вижу, что лампы КЛЛ становятся все дешевле и дешевле, а срок службы ламп накаливания увеличивается.