Por que os LEDs demoraram tanto para aparecer como lâmpadas?


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


vídeo um pouco relacionado: Os primeiros diodos emissores de luz. Ele demonstrou quão baixa era a eficiência dos primeiros LEDs.
Nick Alexeev

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De certos perpectives é uma nova tecnologia ... Eu acho que você nunca sentiu como "oh wow, que a nova cor do LED é no mercado agora, vamos obter algum, oh isso é extremamente caros"
PlasmaHH

@plasmahh exatamente. E esse alto custo, por sua vez, significa que o fabricante não pode produzir em massa e reduzir preços. Veja 22 das novas economias tecnológicas.
30386 Passerby

A indústria da Asmyldof costumava colocar os LEDs em iluminação muito antes dos LEDs azuis nos anos 90 aparecerem. Mas, depois de um tempo, fica cansativo ter que soldar 300 LEDs amarelos em uma luz noturna, então apenas um monte foi produzido e apenas um sobreviveu até hoje. ;-)
Asmyldof 01/03

Respostas:


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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.


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Isso explica o branco, mas e os sinais de trânsito, por exemplo? Eles não começaram a emitir luzes LED vermelhas / amarelas / verdes até o início dos anos 2000, pelo menos nas cidades do nordeste dos EUA. Eles usam azul naqueles também?
Jason C

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@JasonC: Os LEDs vermelhos, âmbar e verdes estão em exibição há algum tempo. No entanto, não creio que tenha havido muita motivação para criar lâmpadas de tráfego a partir delas a princípio. Por um lado, há realmente uma desvantagem séria: eles não esquentam o suficiente para limpar a neve! Eu acho que é apenas na última década que as economias de escala da produção de lâmpadas para outras aplicações tornaram econômico produzir lâmpadas de sinal de trânsito também.
Dave Tweed

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Observe que o LED azul de alto brilho foi um avanço suficientemente grande que Nakamura, juntamente com dois de seus colaboradores (Akasaki e Amano), ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2014 por isso.
Michael Seifert 29/02

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Aliás, você pode usar esse fato para datar instantaneamente obras de ficção científica na TV ou no cinema. Por exemplo, em Star Trek, TNG, sempre que eles abrem o crânio de Data para mostrar sua rede positrônica, há muitos LEDs piscando lá - todos vermelhos, amarelos ou verdes, porque é isso que os designers de hélice tinham disponível e acessível na época .
Darrel Hoffman

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Trabalhei em uma loja de eletrônicos de varejo (pequena, não pertencente à cadeia) logo após a disponibilização de LEDs azuis de alto brilho (por volta de 2000). Vermelho / verde / amarelo foram vendidos a granel por centavos, enquanto um único LED azul de alto brilho foi vendido em blister por cerca de US $ 10,00.
SevenSidedDie

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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.


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A emissão de LED é muito mais ampla, espectralmente, do que um laser. Os lasers são extremamente monocromáticos porque fornecem um mecanismo de feedback (emissão estimulada) que concentra a amplificação óptica em uma faixa de comprimento de onda extremamente estreita. Os LEDs, por outro lado, produzem uma emissão espectral bastante ampla em comparação. Não há nenhum efeito de coerência com um LED, por exemplo (salpico, interferência, etc)
J ...

@J ...: There are no coherency effects with an LED- não há efeitos de coerência com alguns LEDs. Existem com os outros. Especificamente, existem efeitos de coerência nos chamados LEDs a laser (existe uma dúvida sobre a física. Se esses lasers devem ser chamados de "lasers", pois a luz coerente é criada sem o auxílio de emissão estimulada)
slebetman

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@slebetman Os diodos a laser ainda são lasers e certamente usam emissão estimulada.
J ...

Muitas lâmpadas LED (possivelmente a maioria, especialmente as mais baratas) usam um conta-gotas capacitivo simples, não um modo de comutação.
grahamparks

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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.

...

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:

         Dissipadores de calor 1    Dissipadores de calor 2    Dissipadores de calor 3
          (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.


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Várias pessoas já mencionaram melhorias na eficiência, o que é o mesmo que gerar menos calor por lúmen. Observe também que o primeiro artigo é de 2005, há muito tempo, considerando a velocidade com que os LEDs estão evoluindo.
Nick Alexeev

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@NickAlexeev Os usos que vejo de eficiência em todas as respostas até agora são usos únicos da palavra ou em frases curtas. Eu sou um ChemE, não um EE, então talvez minha intuição seja torta por EE.SE, mas quando os leio, ouço que eles custam muito porque usam muita eletricidade , não geram tanto calor que se danificam . Senti mais detalhes sobre as considerações práticas do gerenciamento de calor. Desculpe, eu enfiei meu polegar no seu olho.
Hby2Py

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As lâmpadas incandescentes @Brian produzem mais calor que os LEDs. Mas eles também são mais tolerantes ao calor, porque não possuem eletrônicos. Os LEDs produzem menos calor que as lâmpadas incandescentes. Mas eles também são menos tolerantes à temperatura, porque possuem eletrônicos a bordo. Então, o que é outro, digamos, 3W de calor residual entre amigos? Bem, 3W no valor da conta de eletricidade não é um problema tão grande (acabamos de economizar talvez 70W, em comparação com uma lâmpada incandescente). Por outro lado, ter que rejeitar 3W adicionais é um problema, porque o afundamento adicional aumenta o custo.
Nick Alexeev

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@DanNeely Eles são coisas separadas, embora. Além de "os LEDs são frios ao toque, porque geralmente não produzem calor na forma de radiação infravermelha (IR)", o que está errado porque os LEDs são frios porque são dispositivos de menor potência por lúmen, a descrição da citação é completamente preciso. A radiação IR não é calor. A maioria dos materiais absorve o IR com muita facilidade, é verdade, convertendo-o em calor onde atinge, mas o IR atravessa gás e vácuo à velocidade da luz, enquanto o calor não pode. Assim, nas lâmpadas, 1W de calor é mais localizado que 1W de IR.
hBy2Py

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Tecnicamente falando, as lâmpadas são meramente resistências que podem produzir nada além de calor. Esse calor é transformado em infravermelho e luz via radiação do corpo negro . Assim, uma lâmpada produz 100% de calor que é dissipado de maneira diferente: 88% por radiação e 12% por transferência de calor.
Dmitry Grigoryev

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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


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É por isso que o sistema de patentes é lixo
Transeunte

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


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Fazer uma lâmpada incandescente não é de modo algum trivial - o delicado fio enrolado de tungstênio (material complicado de funcionar), precisa ser suspenso com muito cuidado em uma lâmpada bem selada ... foi, obviamente, a produção em massa que baixou os preços , mas os LEDs únicos de baixa potência são mais baratos do que qualquer lâmpada incandescente.
leftaroundabout

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Os LEDs únicos de baixa potência podem ter sido mais baratos que as lâmpadas incandescentes, mas seriam necessários muitos desses LEDs de 20 mA para iluminar uma sala. Um grande fator na aparência das lâmpadas LED utilizáveis ​​foi a eliminação gradual que aconteceu em muitos países nos últimos 10 anos, o que impediu que os LEDs tivessem que competir com o status quo barato anterior.
Guntram Blohm

Se você considerar o custo da eletricidade, as luzes LED são mais baratas que as lâmpadas incandescentes. Um LED de 10 W produz a mesma quantidade de luz que uma lâmpada de 60 W. Isso significa uma economia de energia de 50 kWh por 1000 horas. Onde eu moro (na Suécia), isso representa 10 $ de desconto em minhas contas de energia elétrica por 1000 horas de tempo de queima e os LEDs geralmente duram vários milhares de horas.
Klas Lindbäck

Embora eu concorde que o custo de funcionamento eventualmente se pague, a pergunta era por que demorou tanto tempo para que as lâmpadas de LED de intensidade e cor utilizáveis ​​fossem exibidas. Em casa, estou mudando à medida que as coisas queimam, mas as lâmpadas incandescentes custam cerca de um dólar por pacote de 2, onde os LEDs de qualidade decente começam em cerca de US $ 10 cada.
R Drast

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Há também a mentalidade do público em geral e as questões legais: os produtores de lâmpadas fluorescentes fizeram campanha e aprovaram leis contra lâmpadas incandescentes. Criou o vazio preenchido por leds (em vez de fluorescente).
Agent_L 2/16

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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.


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"Esta é uma questão de economia e inércia pública". Também é uma questão de os LEDs (e, especialmente, os LEDs brancos) não serem remotamente tão antigos quanto a tecnologia que a pergunta supõe.
David Richerby

A @davidricherby e a tecnologia incandescente precedem Edison há anos, mas seu funcionário criou uma versão barata e duradoura que ele comercializou muito bem. A data de criação não é tão importante.
30386 Passerby

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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.


2
Atualmente, os LEDs brancos usam um ultravioleta ou, mais comumente hoje, um LED azul para estimular uma camada de fósforo que emite a luz branca. É verdade que, quando você vê um grande painel de vídeo para vídeo, ele usa vários leds de cores primárias e o olho humano pode vê-los misturados.
Craig K

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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.


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Os LEDs azuis chegaram muito tarde. Inicialmente, era vermelho. Então verde. Então amarelos e laranjas. Tivemos que esperar anos pelo azul, e os primeiros eram terrivelmente caros e não muito eficientes.
Simon B

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@SimonB Um livro descrevendo o processo de desenvolvimento pode ter o título de Band Gaps on the Rack . :-)
hBy2Py 29/02

Faróis de veículos são um mau exemplo; seus altos preços são devidos a outros fatores, LED ou não. Os emissores de LED branco de alta potência montados em uma estrela não são muito caros; eles podem ser adquiridos em pequenas quantidades por menos de US $ 5 cada. Existem lanternas disponíveis com esses emissores por apenas US $ 10 a 20.
Taudris

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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.

insira a descrição da imagem aqui

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.


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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.


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Não sou o voto negativo, mas essa resposta é incoerente e faz várias afirmações incorretas e sem suporte. Eu sugiro que você revise ou retire esta resposta.
DrFriedParts

A conversão de energia eficiente e barata é realmente um problema que muitas "lâmpadas" ainda não resolvem muito bem, mas sua resposta não está muito bem escrita.
Supercat 29/02

Eu também não sou o derrotador. Mas "amperagem" é uma palavra usada na TV, não em um fórum de EE. Use "current" em vez disso :)
Reversed Engineer

Além disso, a tensão não passa por um LED. Eu entendo por que você foi rebaixado, apesar de eu não ter sido feito
Reversed Engineer
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