Por que os LEDs demoraram tanto para aparecer como lâmpadas?

Os LEDs são uma tecnologia antiga, por que as indústrias demoraram tanto para colocá-las em lâmpadas? Faltava alguma lacuna tecnológica?

Não é possível produzir luz branca sem um LED azul eficiente, usando LEDs RGB ou um LED azul + fósforo amarelo.

A inovação foi a invenção do LED azul de nitreto de gálio de alto brilho por Shuji Nakamura em Nichia, no início dos anos 90.

Ainda demorou um pouco para que a eficiência geral chegasse ao nível das lâmpadas fluorescentes, e é apenas na última década que os LEDs finalmente chegaram ao topo.

Demorou muito tempo para produzir LEDs com uma "temperatura de cor" razoável (tom de branco) e alta eficiência. O princípio operacional normal dos LEDs produz apenas uma única faixa de luz, como um laser. Portanto, os brancos são feitos de um LED azul ou UV e um reemissor de fósforo.

Para facilitar a substituição dos acessórios de iluminação convencionais, as lâmpadas LED também precisam de um conversor AC-DC pequeno, barato e de corrente constante. Geralmente, isso é algum tipo de fonte de alimentação comutada. Estes também só se tornaram baratos e amplamente disponíveis na década passada.

Veja também o L-Prize.

A maioria das respostas até agora se concentrou no desafio técnico de replicar a luz branca com LEDs, com o desenvolvimento do LED azul sendo a principal inovação nessa frente. Foi feita alguma menção à dificuldade de desenvolver LEDs azuis com eficiência suficiente para produzir uma lâmpada prática. Embora isso possa ser óbvio para a prática de EE, acho que vale a pena elaborar com mais detalhes por que uma eficiência muito baixa representou um obstáculo à comercialização: a saber, o calor antigo .

Uma vantagem frequentemente citada dos LEDs é que eles não produzem calor e são frios ao toque. Fato ou ficção?

Em certo sentido, isso é verdade: os LEDs são frios ao toque, porque geralmente não produzem calor na forma de radiação infravermelha (IR) (a menos que, é claro, sejam LEDs IR). A radiação infravermelha aquece os compartimentos e os arredores de lâmpadas incandescentes e outras fontes, tornando-as quentes ao toque. A ausência de radiação IR permite que as luminárias LED sejam posicionadas em locais onde o aquecimento a partir de fontes convencionais causaria um problema específico, por exemplo, iluminação de alimentos ou têxteis.

No entanto, crucialmente, o calor é produzido no próprio dispositivo de LED, devido à ineficiência dos processos semicondutores que geram luz. A eficiência do plugue de parede (saída de energia óptica dividida pela entrada de energia elétrica) dos pacotes de LED normalmente fica entre 5 e 40%, o que significa que entre 60 e 95% da energia de entrada é perdido como calor .

A energia consumida por uma lâmpada incandescente de 100 watts GLS produz cerca de 12% de calor, 83% de IR e apenas 5% de luz visível. Por outro lado, um LED típico pode produzir 15% de luz visível e 85% de calor. Especialmente com LEDs de alta potência, é essencial remover esse calor através de um gerenciamento térmico eficiente. Sem um bom dissipador de calor, a temperatura interna (junção) do LED aumenta e isso faz com que as características do LED mudem.

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Mais significativamente, a temperatura da junção afeta a vida útil do LED. Ao contrário de outras fontes de luz, os LEDs não tendem a falhar catastroficamente (embora um pequeno número o faça, especialmente se você os cozinhar); em vez disso, a saída do LED diminui com o tempo.

_{(enfase adicionada)}

_{T. Whitaker. "Fato ou ficção - LEDs não produzem calor". Revista LEDs, maio de 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html}

Uma pesquisa no Google Imagens por "dissipador de calor com lâmpada led" mostra um verdadeiro zoológico de designs de dissipadores de calor:

                 
          _{(Clique nas imagens para versões maiores)}

Suspeito que tenha havido algum atraso na penetração do mercado devido à impressionante diferença de fator de forma necessária para o gerenciamento térmico.

Outro aspecto menor, não técnico, que contribuiu para um atraso de alguns anos foram as questões de patente relacionadas à produção de LED azul.

Nichia, onde Nakamura trabalhava, tinha muitas patentes principais de GaN (nitreto de gálio), mas não todas. Outros, como Cree (patentes SiC) e Toyoda Gosei (outras patentes de LED) possuíam outras patentes necessárias para produzir LEDs azuis em alto volume.

Os problemas técnicos foram geralmente descobertos no final dos anos 90, mas os grandes players de LED não estavam produzindo nenhuma quantidade de LEDs azuis (em parte, principalmente?) Por causa de questões de litígios sobre patentes.

No final de 2002, foram concluídos alguns acordos-chave de cruzamento de patentes e, em um ou dois anos, houve um grande aumento no volume de LEDs azuis sendo produzidos.

Cree e Nichia anunciam contrato de licença cruzada de patentes e resolução de litígios http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia e Toyoda Gosei resolvem a disputa por LED http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

Não negligencie o simples fato de custo.
Lâmpadas incandescentes comuns podem ser fabricadas por centavos e vendidas por pouco mais.

Esta é uma questão de economia e inércia pública. A tecnologia herdada é mais barata de ser produzida devido a investimentos de longo prazo em infraestrutura e produção em massa. As novas tecnologias precisam passar por questões de financiamento, investimentos iniciais, construção de infraestrutura, marketing, lentidão nos estágios iniciais dos adotantes, acordos de distribuição, etc. em vez do mix atual de lâmpadas incandescentes, CFL, led. Não é uma mão invisível capitalista natural das forças do livre mercado , mas uma adoção forçada.

Os benefícios dos leds ficam em segundo lugar para a maioria das pessoas, que são letárgicas na adoção de tecnologia, especialmente diante dos custos iniciais mais altos. . A maioria das pessoas se opõe a uma lâmpada led de 20 dólares em comparação com uma lâmpada incandescente de 3 dólares, mesmo que a lâmpada LED ultrapasse 20 lâmpadas incandescentes pela metade do custo operacional. É só agora que as lâmpadas led individuais estão na faixa de 5 a 10 dólares que as pessoas realmente estão se movendo em direção a ela.

O problema era criar luz branca natural. A luz do dia normal possui um espectro de frequências, mas os leds podem produzir apenas em certos comprimentos de onda. Então os engenheiros inventaram materiais diferentes para produzir diferentes comprimentos de onda. então diferentes leds são misturados, de modo que a luz resultante é praticamente branca natural.

Primeiro, cerca de 40 anos atrás, eles inventaram o LED vermelho. Depois vieram progressivamente cores azul / verde / outras, seguindo evoluções tecnológicas diferentes. Além disso, os primeiros diodos não eram muito poderosos.

Portanto, a questão era fabricar diodos emissores de luz branca e torná-los poderosos o suficiente para serem competitivos contra as lâmpadas, o que aconteceu há menos de 10 anos. E os diodos brancos ainda são muito caros, mas o custo é amplamente compensado por sua durabilidade. Tente procurar o preço de um único Audi / BMW / qualquer farol de LED completo e você entenderá.

Toda aplicação de iluminação tem suas próprias demandas e, geralmente, essas são resolvidas há mais de cem anos. Novas soluções raramente são superiores em qualidade e custo desde o início. Outro exemplo ainda não mencionado é o CRI (Color Rendering Index).

Enquanto as lâmpadas incandescentes têm uma resposta espectral semelhante a um corpo negro (por isso, temos o sistema de temperatura de cor), a iluminação LED branca não.

Mesmo aqueles com "CRI ultra-alto" comercializado de quase 100, como na imagem acima (alguns hits da pesquisa de imagens do Google) produzem apenas uma saída de luz superficialmente semelhante à das lâmpadas incandescentes ou ao sol.

Para muitas aplicações, isso é bom, mas especialmente as dificuldades de renderizar a cor da pele o tornam inadequado não apenas para muitos aplicativos de mídia, mas também faz com que as pessoas na sua sala pareçam um pouco doentes.

Além disso, algumas outras áreas precisam de uma renderização de cores adequada, como pessoas que vendem itens onde a cor é importante.

Tudo isso pode ser uma parte pequena, mas todas as outras respostas mencionaram outros pontos que também podem ser pequenos por si só, mas no total dão ao mercado inércia suficiente como se não houvesse todos esses pequenos problemas no começo.

Leve a tecnologia de amanhã com os pequenos LEDs brancos baratos de SMPS e 99CRI até 1997 e todos mudarão quase instantaneamente para essa tecnologia.

Eles também tiveram que obter a voltagem e a amperagem corretas através dos LEDs para fazê-los durar quase para sempre e obter o branco mais brilhante nos LEDs brancos, onde não importava tanto nos LEDs vermelhos, verdes etc. Lâmpadas incandescentes podem custar alguns centavos para fabricar, mas desde que as Lâmpadas Fluorescentes Compactas Espirais saíram que deveriam durar anos, mas de modo algum o fazem, as lâmpadas incandescentes são menos onde você as compra e aumentaram um pouco no preço e desde então eles usam voltagem mais baixa, vejo as lâmpadas CFL ficando cada vez mais baratas e construídas para não durar tanto quanto agora e as lâmpadas incandescentes ficando mais altas.