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

Los LED son una tecnología antigua, ¿por qué las industrias tardaron tanto en ponerlos en bombillas? ¿Faltaba alguna brecha tecnológica?

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

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

Todavía tomó un tiempo lograr que la eficiencia general alcanzara el nivel de las bombillas fluorescentes, y solo en la última década los LED finalmente salieron a la cima.

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

Para reemplazar fácilmente las luminarias convencionales, las bombillas LED también necesitan un convertidor de CA-CC pequeño, económico 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.

Ver también el Premio L.

La mayoría de las respuestas hasta ahora se han centrado en el desafío técnico de replicar la luz blanca con LED, y el desarrollo del LED azul es el gran avance en ese frente. Se mencionó 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 elaborar con más detalle por qué una eficiencia demasiado baja representaba un obstáculo para la comercialización: a saber, el calor viejo y simple .

Una ventaja a menudo citada de 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, por supuesto, que sean LED IR). La radiación IR calienta los recintos y los alrededores de las bombillas incandescentes y otras fuentes, haciéndolos calientes 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, la iluminación de alimentos o textiles.

Sin embargo, de manera crucial, el calor se produce dentro del propio dispositivo LED, debido a la ineficiencia de los procesos de semiconductores que generan luz. La eficiencia del enchufe de pared (salida óptica dividida por la entrada eléctrica) de los paquetes de LED es típicamente del orden del 5-40%, lo que significa que entre 60 y 95% de la energía de entrada se pierde como calor .

La energía consumida por una bombilla incandescente GLS de 100 vatios produce alrededor del 12% de calor, 83% de IR y solo 5% de luz visible. En contraste, un LED típico podría producir 15% de luz visible y 85% de calor. Especialmente con 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 (unión) del LED aumenta, y esto hace que las características del LED cambien.

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Más significativamente, la temperatura de la unión afecta la vida útil del LED. A diferencia de otras fuentes de luz, los LED no tienden a fallar catastróficamente (aunque un pequeño número sí, especialmente si los cocina); en cambio, la salida del LED disminuye con el tiempo.

_{(énfasis añadido)}

_{- T. Whitaker. "Realidad o ficción: los LED no producen calor". LED Magazine, mayo de 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html}

Una búsqueda en Google Imágenes de "disipador de calor con bombilla led" muestra un verdadero zoológico de diseños de disipadores de calor:

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

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

Otro aspecto menor, no técnico, que contribuyó a un retraso 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 reproductores 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 algunos acuerdos clave de cruce de patentes y en 1-2 años hubo un gran aumento en el volumen de LED azules que se producían.

Cree y Nichia anuncian acuerdo de licencia cruzada de patente y solución de litigios http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia y Toyoda Gosei resuelven disputa LED http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

No pase por alto el simple hecho del costo tampoco.
Las bombillas incandescentes ordinarias se pueden hacer por centavos y se venden por poco 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 problemas de financiación, inversiones iniciales, construcción de infraestructura, comercialización, etapas iniciales de adopción lenta, acuerdos de distribución, etc. Si no fuera por la legislación en los EE. UU. Que obliga a una nueva tecnología, la mayoría aún estaría incandescente en lugar de la mezcla actual de incandescente, CFL, led. No es una mano invisible capitalista natural de las fuerzas del libre mercado , sino una adopción forzada.

Los beneficios de los leds ocupan el segundo lugar para la mayoría de las personas, que son letárgicas en la adopción de tecnología, especialmente frente a los costos iniciales más altos. . 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 durará más de 20 bombillas incandescentes a la mitad del costo operativo. Es solo ahora que las bombillas LED individuales se han reducido al rango de 5 ~ 10 dólares que las personas realmente se están moviendo hacia él.

El problema era crear luz blanca natural. La luz del día normal tiene un espectro de frecuencias, pero los leds solo pueden producir en ciertas longitudes de onda. Entonces 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 el azul / verde / otros colores siguiendo diferentes evoluciones tecnológicas. Además, los primeros diodos no eran muy potentes.

Entonces, el problema era hacer diodos emisores de luz blanca y hacerlos lo suficientemente potentes como para ser competitivos contra las bombillas, lo que sucedió hace menos de 10 años. Y los diodos blancos siguen siendo muy caros, pero el costo se ve compensado en gran medida por su durabilidad. Intente buscar el precio de un solo Audi / BMW / cualquier faro con led completo y lo entenderá.

Cada aplicación de iluminación tiene sus propias demandas, y usualmente 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 la de un cuerpo negro (de ahí que tengamos el sistema de temperatura de color), la iluminación LED blanca no.

Incluso aquellos con un "IRC ultra alto" comercializado de casi 100, como en la imagen de arriba (algunos resultados de búsqueda de imágenes de Google) producen una salida de luz superficialmente similar a las bombillas incandescentes o al sol.

Para muchas aplicaciones esto está bien, pero especialmente las dificultades de renderizar el color de la piel lo hacen inadecuado no solo para muchas aplicaciones de medios, sino que también hace que las personas en su sala de estar se vean algo enfermas.

También algunas otras áreas tienen la necesidad de una reproducción del color adecuada, como las personas que venden cosas donde el color es importante.

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

Lleve la tecnología del mañana con SMPS baratos y LED blancos 99CRI a 1997 y todos cambiarán casi instantáneamente a esa tecnología.

También tenían que obtener el voltaje y el amperaje correctos a través de los LED para que duraran casi para siempre y obtener el blanco más brillante en los LED blancos donde no importaba tanto en los LED rojos, verdes, etc. Las bombillas incandescentes pueden costar centavos, pero desde que salieron las bombillas fluorescentes compactas en espiral se suponía que duraría años, pero de ninguna manera no lo hacen, las bombillas incandescentes son menos donde las compras y han subido un poco de precio y desde entonces usan un voltaje más bajo, veo que las bombillas CFL se vuelven cada vez más baratas y están construidas de manera más económica para no durar tanto como lo hacen ahora, y las bombillas incandescentes se vuelven más altas.