Warum haben LEDs so lange gebraucht, um als Glühbirnen zu erscheinen?

LEDs sind eine alte Technologie. Warum haben die Industrien so lange gebraucht, um sie in Glühbirnen zu stecken? Gab es eine technologische Lücke?

Ohne eine effiziente blaue LED ist es weder mit RGB-LEDs noch mit einer blauen LED + gelbem Leuchtstoff möglich, weißes Licht zu erzeugen.

Der Durchbruch war die Erfindung der hochhellen blauen Galliumnitrid-LED von Shuji Nakamura bei Nichia in den frühen neunziger Jahren.

Es hat noch eine Weile gedauert, bis die Gesamteffizienz der Leuchtstofflampen erreicht war, und erst im letzten Jahrzehnt haben sich die LEDs endgültig durchgesetzt.

Es dauerte lange, bis LEDs mit einer vernünftigen "Farbtemperatur" (weißer Farbton) und einem angemessen hohen Wirkungsgrad hergestellt waren. Das normale Funktionsprinzip von LEDs erzeugt wie ein Laser nur ein einziges Lichtband. Die weißen bestehen also aus einer blauen oder UV-LED und einem Leuchtstoffrückstrahler.

Für den einfachen Austausch herkömmlicher Leuchten benötigen LED-Lampen auch einen kleinen, billigen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler. Dies ist normalerweise eine Art Schaltnetzteil. Auch diese sind erst im letzten Jahrzehnt wirklich billig und weit verbreitet geworden.

Siehe auch den L-Preis.

Die Mehrzahl der bisherigen Antworten konzentrierte sich auf die technische Herausforderung, weißes Licht mit LEDs zu replizieren, wobei die Entwicklung der blauen LED der wichtigste Durchbruch in diesem Bereich war. Es wurde die Schwierigkeit erwähnt, blaue LEDs mit ausreichender Effizienz zu entwickeln, um eine praktische Lampe herzustellen. Während dies für das Üben von EE offensichtlich sein mag, denke ich, dass es sich lohnt, ausführlicher zu erläutern, warum eine zu niedrige Effizienz ein solches Hindernis für die Kommerzialisierung darstellte: nämlich normale alte Wärme .

Ein oft genannter Vorteil von LEDs ist, dass sie keine Wärme erzeugen und sich kühl anfühlen. Fakt oder Fiktion?

In gewisser Hinsicht ist dies der Fall: LEDs fühlen sich kühl an, da sie im Allgemeinen keine Wärme in Form von Infrarotstrahlung (IR) erzeugen (es sei denn, es handelt sich natürlich um IR-LEDs). IR-Strahlung erwärmt die Gehäuse und die Umgebung von Glühlampen und anderen Quellen und macht sie bei Berührung heiß. Das Fehlen von IR-Strahlung ermöglicht die Positionierung von LED-Leuchten an Orten, an denen die Erwärmung durch herkömmliche Quellen ein besonderes Problem verursachen würde, z. B. bei der Beleuchtung von Lebensmitteln oder Textilien.

Entscheidend ist jedoch, dass aufgrund der Ineffizienz der Halbleiterprozesse, die Licht erzeugen, Wärme in der LED-Vorrichtung selbst erzeugt wird. Der Wirkungsgrad (optischer Stromausgang geteilt durch elektrischen Stromeingang) von LED-Gehäusen liegt typischerweise im Bereich von 5 bis 40%, was bedeutet, dass zwischen 60 und 95% der Eingangsleistung als Wärme verloren gehen .

Die von einer 100-Watt-GLS-Glühlampe verbrauchte Energie erzeugt etwa 12% Wärme, 83% IR und nur 5% sichtbares Licht. Im Gegensatz dazu kann eine typische LED 15% sichtbares Licht und 85% Wärme erzeugen. Gerade bei Hochleistungs-LEDs ist es wichtig, diese Wärme durch ein effizientes Wärmemanagement abzuführen. Ohne eine gute Wärmeableitung steigt die Innentemperatur (Sperrschichttemperatur) der LED an, wodurch sich die LED-Eigenschaften ändern.

...

Am wichtigsten ist, dass die Sperrschichttemperatur die Lebensdauer der LED beeinflusst. Im Gegensatz zu anderen Lichtquellen neigen LEDs nicht dazu, katastrophal zu versagen (obwohl dies bei einer kleinen Anzahl der Fall ist, insbesondere wenn Sie sie kochen). Stattdessen nimmt die Leistung der LED mit der Zeit ab.

_{(Betonung hinzugefügt)}

_{- T. Whitaker. "Fakt oder Fiktion - LEDs erzeugen keine Wärme". LED-Magazin, Mai 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html}

Eine Google Images-Suche nach "led bulb heat sink" ergibt einen wahren Zoo von Kühlkörperdesigns:

                 
          _{(Bilder anklicken für größere Versionen)}

Ich vermute, dass die Marktdurchdringung aufgrund der für das Wärmemanagement erforderlichen unterschiedlichen Formfaktoren etwas verzögert war.

Ein weiterer geringfügiger, nicht technischer Aspekt, der zu einer Verzögerung von einigen Jahren beitrug, waren die Patentprobleme im Zusammenhang mit der Herstellung blauer LED.

Nichia, wo Nakamura arbeitete, hatte viele wichtige GaN-Patente (Galliumnitrid), aber nicht alle. Andere, wie Cree (SiC-Patente) und Toyoda Gosei (andere LED-Patente), hatten andere Schlüsselpatente, die zur Herstellung blauer LEDs in hohen Stückzahlen erforderlich waren.

Die technischen Probleme wurden in der Regel Ende der 90er Jahre gelöst, aber die großen LED-Unternehmen stellten aufgrund von Patentstreitigkeiten (teilweise, meistens?) Keine Menge blauer LEDs her.

Bis Ende 2002 wurden einige wichtige Patent-Cross-Licesning-Vereinbarungen abgeschlossen, und innerhalb von 1-2 Jahren stieg die Menge der produzierten blauen LEDs enorm an.

Cree und Nichia geben Patentkreuzlizenzvereinbarung und Beilegung von Streitigkeiten bekannt http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia und Toyoda Gosei beigelegt LED-Streit http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

Übersehen Sie auch nicht die einfache Tatsache der Kosten.
Gewöhnliche Glühbirnen können für ein paar Cent hergestellt und für nicht viel mehr verkauft werden.

Dies ist eine Frage der Ökonomie und der öffentlichen Trägheit. Aufgrund langfristiger Investitionen in die Infrastruktur und die Massenproduktion ist die Herstellung von Alttechnologie billiger. Neue Technologien müssen Finanzierungsprobleme, Anfangsinvestitionen, Infrastrukturaufbau, Marketing, langsame Early Adopter-Phasen, Vertriebsabkommen usw. durchlaufen. Wenn die Gesetzgebung in den USA keinen Weg für neue Technologien erzwingen würde, wären die meisten immer noch weißglühend statt der aktuellen Mischung aus Glühlampen, führte CFL. Es ist keine natürliche, kapitalistische, unsichtbare Hand der Kräfte des freien Marktes , sondern eine erzwungene Adoption.

Die Vorteile von LEDs stehen hinter den meisten Menschen, die bei der Einführung von Technologien lethargisch sind, an zweiter Stelle, insbesondere angesichts der höheren Anschaffungskosten. . Die meisten Leute sträuben sich vor einer 20-Dollar-LED-Lampe im Vergleich zu einer 3 für 3 US-Dollar-Glühlampe, selbst wenn die LED-Lampe 20 Glühlampen bei der Hälfte der Betriebskosten überdauert. Es ist erst jetzt, dass einzelne LED-Lampen auf den 5 ~ 10-Dollar-Bereich fallen, auf den sich die Leute wirklich zubewegen.

Das Problem bestand darin, natürliches weißes Licht zu erzeugen. Normales Tageslicht hat ein Spektrum von Frequenzen, aber LEDs können nur bei bestimmten Wellenlängen produzieren. Also mussten die Ingenieure verschiedene Materialien erfinden, um verschiedene Wellenlängen zu erzeugen. dann werden verschiedene leds miteinander gemischt, so dass das resultierende licht so ziemlich natürliches weiß ist.

Vor rund 40 Jahren erfanden sie zunächst die rote LED. Dann kamen nach und nach blau / grün / andere Farben nach verschiedenen technologischen Entwicklungen. Auch die ersten Dioden waren nicht sehr leistungsfähig.

Es ging also darum, weiße Leuchtdioden herzustellen und sie so leistungsfähig zu machen, dass sie mit Glühbirnen konkurrieren können, die erst vor weniger als zehn Jahren entstanden sind. Und weiße Dioden sind immer noch sehr teuer, aber die Kosten werden durch ihre Haltbarkeit weitgehend kompensiert. Versuchen Sie, nach dem Preis eines einzelnen Audi / BMW / eines beliebigen Voll-LED-Scheinwerfers zu suchen, und Sie werden es verstehen.

Jede Beleuchtungsanwendung hat ihre eigenen Anforderungen, und diese werden in der Regel seit mehr als hundert Jahren gelöst. Neue Lösungen sind von Anfang an in Qualität und Kosten selten überlegen. Ein weiteres noch nicht genanntes Beispiel ist der CRI (Color Rendering Index).

Während Glühlampen eine spektrale Empfindlichkeit haben, die der eines schwarzen Körpers ähnelt (daher haben wir das Farbtemperatursystem), ist dies bei weißer LED-Beleuchtung nicht der Fall.

Sogar diejenigen mit einem auf den Markt gebrachten "ultrahohen CRI" von fast 100, wie im obigen Bild dargestellt (einige Suchtreffer bei Google-Bildern), erzeugen eine nur oberflächlich ähnliche Lichtleistung wie Glühbirnen oder die Sonne.

Für viele Anwendungen ist dies in Ordnung, aber insbesondere die Schwierigkeit, Hautfarben wiederzugeben, macht es nicht nur für viele Medienanwendungen ungeeignet, sondern lässt auch die Menschen in Ihrem Wohnzimmer etwas krank aussehen.

Auch in einigen anderen Bereichen ist eine ordnungsgemäße Farbwiedergabe erforderlich, z. B. beim Verkauf von Produkten, bei denen Farbe wichtig ist.

Dies alles mag ein kleiner Teil sein, aber alle anderen Antworten erwähnten andere Punkte, die für sich genommen auch klein sein könnten, aber insgesamt dem Markt genügend Trägheit geben, als ob es am Anfang nicht all diese kleinen Probleme gegeben hätte.

Nehmen Sie die Technologie von morgen mit billigen winzigen weißen SMPS- und 99CRI-LEDs aus dem Jahr 1997, und jeder wird fast augenblicklich auf diese Technologie umsteigen.

Sie mussten auch die richtige Spannung und Stromstärke durch die LEDs bringen, damit sie fast für immer halten und das hellste Weiß auf den weißen LEDs erhalten, wo es bei roten, grünen usw. LEDs nicht so wichtig war. Glühbirnen kosten zwar ein paar Cent, aber da die Spiral Compact-Leuchtstofflampen herauskamen, die eigentlich jahrelang halten sollten, aber keineswegs, sind Glühbirnen dort, wo man sie kauft, billiger und haben sich seitdem erheblich verteuert Sie verwenden eine niedrigere Spannung. Ich sehe, dass CFL-Lampen billiger und billiger werden, um nicht so lange zu halten, wie sie es jetzt tun, und dass Glühlampen immer höher werden.