¿Por qué los LED tardaron tanto en aparecer como bombillas?

No es posible producir luz blanca sin un LED azul eficiente, ya sea utilizando LED RGB o un LED azul + fósforo amarillo.

El avance fue la invención del LED azul galio-nitruro de alto brillo de Shuji Nakamura en Nichia a principios de la década de 1990.

Todavía tardó un tiempo en alcanzar la eficiencia general hasta el nivel de las bombillas fluorescentes, y es solo en la última década que los LED finalmente llegaron a la cima.

Llevó mucho tiempo producir LED que tuvieran una "temperatura de color" razonable (tono de blanco) y una eficiencia adecuada. El principio de funcionamiento normal de los LED produce una sola banda de luz, como un láser. Así que los blancos están hechos de un LED azul o UV y un reemisor de fósforo.

Para reemplazar fácilmente los accesorios de iluminación convencionales, las bombillas LED también necesitan un convertidor AC-DC pequeño, barato y de corriente constante. Esto suele ser algún tipo de fuente de alimentación conmutada. Estos también se han vuelto realmente baratos y ampliamente disponibles en la última década.

Consulte también el L-Prize.

Hasta ahora, la mayoría de las respuestas se han centrado en el desafío técnico de replicar la luz blanca con LED, y el desarrollo del LED azul es el avance más importante en ese frente. Se ha mencionado algo la dificultad de desarrollar LED azules con suficiente eficiencia para hacer una lámpara práctica. Si bien esto puede ser obvio para la práctica de EE, creo que vale la pena explicar con más detalle por qué una eficiencia tan baja representó un obstáculo para la comercialización: a saber, el antiguo calor .

  

Una de las ventajas que suelen citar los LED es que no producen calor y son fríos al tacto. ¿Realidad o ficción?

     

En cierto sentido, esto es cierto: los LED son fríos al tacto porque generalmente no producen calor en forma de radiación infrarroja (IR) (a menos que, por supuesto, sean LED IR). La radiación infrarroja calienta los recintos y los alrededores de las bombillas incandescentes y otras fuentes, lo que las calienta al tacto. La ausencia de radiación IR permite que los dispositivos LED se coloquen en lugares donde el calentamiento de fuentes convencionales causaría un problema particular, por ejemplo. Iluminando alimentos o textiles.

     

Sin embargo, fundamentalmente, el calor se produce dentro del propio dispositivo LED, debido a la ineficiencia de los procesos de semiconductores que generan luz. La eficiencia de los enchufes de pared (potencia óptica dividida por la entrada eléctrica) de los paquetes de LED se encuentra típicamente en la región del 5-40%, lo que significa que en algún lugar entre el 60 y el 95% de la potencia de entrada se pierde como calor .

     

La energía consumida por una bombilla incandescente GLS de 100 vatios produce alrededor del 12% de calor, el 83% de IR y solo el 5% de luz visible. En contraste, un LED típico puede producir un 15% de luz visible y un 85% de calor.   Especialmente con los LED de alta potencia, es esencial eliminar este calor a través de una gestión térmica eficiente. Sin un buen disipador de calor, la temperatura interna (de unión) del LED aumenta, y esto hace que las características del LED cambien.

     

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Lo más importante es que la temperatura de la unión afecta la vida útil del LED. A diferencia de otras fuentes de luz, los LED no tienden a fallar de manera catastrófica (aunque un pequeño número lo hace, especialmente si los cocina); en cambio, la salida del LED disminuye con el tiempo.

     

_{(énfasis agregado)}

     

_{- T. Whitaker. "Realidad o ficción: los LED no producen calor". LEDs Magazine, mayo de 2005. enlace}

Una búsqueda en Google Images para " disipador de calor de bombilla led " presenta un verdadero parque zoológico de diseños de disipadores:

_{(Haga clic en las imágenes para obtener versiones más grandes)}

Sospecho que hubo un cierto retraso en la penetración del mercado debido a la sorprendente diferencia de factor de forma requerida para la gestión térmica.

Otro aspecto menor, no técnico, que contribuyó a la demora de algunos años fueron los problemas de patentes relacionados con la producción de LED azul.

Nichia, donde trabajaba Nakamura, tenía muchas patentes clave de GaN (nitruro de galio), pero no todas. Otros, como Cree (patentes de SiC) y Toyoda Gosei (otras patentes de LED) tenían otras patentes clave necesarias para producir LED azules en gran volumen.

Los problemas técnicos generalmente se resolvieron a fines de la década de 1990, pero los grandes jugadores de LED no producían ninguna cantidad de LED azules (en parte, ¿en su mayoría?) debido a problemas de litigios de patentes.

A finales de 2002, se completaron unos pocos acuerdos de patentes cruzadas clave y en 1-2 años hubo un gran aumento en el volumen de LED azules que se producen.

Cree y Nichia anuncian acuerdo de licencia cruzada de patente y resolución de litigios enlace

Nichia y Toyoda Gosei resuelven la disputa de LED enlace

Tampoco pase por alto el simple hecho del costo.
Las bombillas incandescentes normales se pueden hacer por centavos y se venden por no mucho más.

Esta es una cuestión de economía e inercia pública. La tecnología heredada es más barata de producir debido a las inversiones a largo plazo en infraestructura y producción en masa. La nueva tecnología tiene que pasar por cuestiones de financiamiento, inversiones iniciales, construcción de infraestructura, mercadeo, etapas de adopción tempranas y lentas, acuerdos de distribución, etc. Si no fuera por la legislación de los EE. UU. En lugar de la mezcla actual de incandescente, CFL, led. No es un capitalista mano invisible del libre mercado fuerzas , sino una adopción forzada.

Los beneficios de los leds están en segundo lugar para la mayoría de las personas, que son letárgicas en la adopción de tecnología, especialmente ante los mayores costos iniciales. . La mayoría de las personas se resisten a una bombilla led de 20 dólares en comparación con una incandescente de 3 por $ 3, incluso si la bombilla led supera las 20 bombillas incandescentes a la mitad del costo operativo. Solo ahora que las bombillas led individuales están en el rango de 5 a 10 dólares, la gente realmente se está moviendo hacia ella.

El problema era crear luz blanca natural. La luz diurna normal tiene un espectro de frecuencias, pero los leds solo pueden producir en ciertas longitudes de onda. Así que los ingenieros habían inventado diferentes materiales para producir diferentes longitudes de onda. luego se mezclan diferentes leds para que la luz resultante sea prácticamente blanca natural.

Primero, hace unos 40 años, inventaron el LED rojo. Luego vinieron progresivamente azules / verdes / otros colores siguiendo diferentes tecnologías de evolución. Además, los primeros diodos no eran muy potentes.

Por lo tanto, el problema era hacer que los diodos emisores de luz blancos , y hacerlos poderosos lo suficiente como para ser competitivos contra las bombillas, que ocurrieron hace solo 10 años. Y los diodos blancos siguen siendo muy caros, pero el costo se compensa en gran medida con su durabilidad. Intente buscar el precio de un solo Audi / BMW / lo que sea que sea el faro de pleno rendimiento y lo entenderá.

Cada aplicación de iluminación tiene sus propias demandas, y generalmente esas han sido resueltas por más de cien años. Las nuevas soluciones rara vez son superiores en calidad y costo desde el principio. Otro ejemplo aún no mencionado es el CRI (Índice de representación de color).

Mientras que las bombillas incandescentes tienen una respuesta espectral similar a un cuerpo negro (por lo tanto, tenemos el sistema de temperatura de color), la iluminación LED blanca no lo tiene.

Inclusoaquellosconun"CRI ultra alto" comercializado de casi 100 como en la imagen de arriba (algunos resultados de búsqueda de imágenes de Google) producen solo una salida de luz similar en forma superficial como las bombillas incandescentes o el sol.

Para muchas aplicaciones, esto está bien, pero especialmente las dificultades para la reproducción del color de la piel hacen que sea inadecuado no solo para muchas aplicaciones de medios, sino que también hace que las personas en su sala de estar se vean un poco enfermas.

También algunas otras áreas necesitan una representación de color adecuada, como personas que venden cosas en las que el color es importante.

Todo esto podría ser una pequeña parte, pero todas las demás respuestas mencionaron otros puntos que podrían ser pequeños por sí solos también, pero en total le dan al mercado la suficiente inercia como si no hubiera habido todos esos pequeños problemas al principio .

Lleve la tecnología Tomorrows con SMPS pequeños y LED blancos 99CRI a 1997 y todos cambiarán casi instantáneamente a esa tecnología.

También tuvieron que obtener el voltaje y el amperaje correctos a través de los LED para que duren casi para siempre y obtener el blanco más brillante en los LED blancos, donde no importa tanto el LED rojo, verde, etc. Las bombillas incandescentes pueden costar unos centavos, pero como salieron las bombillas fluorescentes compactas en espiral que se suponía que durarían años, pero de ninguna manera no, las bombillas incandescentes son menos donde las compras y han subido bastante de precio y desde entonces utilizan un voltaje más bajo, veo que las bombillas CFL se están volviendo más baratas y más baratas para que no duren tanto como lo hacen ahora y las bombillas incandescentes se vuelven más altas.