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

72

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

PDuarte
fuente
video algo relacionado: Los primeros diodos emisores de luz. Demostró cuán baja era la eficiencia de los primeros LED.
Nick Alexeev
10
Desde ciertas perspectivas, es una nueva tecnología ... Supongo que nunca se sintió como "oh wow, ese nuevo color de LED está en el mercado ahora, vamos a obtener algo, oh, eso es muy caro"
PlasmaHH
@plasmahh exactamente. Y ese alto costo a su vez significa que el fabricante no puede producir en masa y reducir los precios. Captura 22 de la nueva economía tecnológica.
Passerby
La industria de Asmyldof solía poner los LED en iluminación mucho antes de que aparecieran los LED azules en los años 90. Pero se vuelve agotador después de un tiempo tener que soldar 300 LED amarillos en una luz nocturna, por lo que solo se produjeron un montón y solo uno sobrevivió hasta el día de hoy. ;-)
Asmyldof

Respuestas:

84

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.

Dave Tweed
fuente
44
Esto explica el blanco, pero ¿qué pasa, por ejemplo, con los semáforos? No comenzaron a encender luces LED rojas / amarillas / verdes hasta principios de la década de 2000, al menos en las ciudades del NE de EE. UU. ¿Usan el azul también en esos?
Jason C
20
@ JasonC: los LED rojo brillante, ámbar y verde han estado presentes por un tiempo. Sin embargo, no creo que haya mucha motivación para crear bombillas de semáforo al principio. Por un lado, en realidad hay un serio inconveniente: ¡no se calientan lo suficiente como para despejarse de nieve! Supongo que es solo en la última década que las economías de escala de la producción de lámparas para otras aplicaciones también hicieron económico producir bombillas de señales de tráfico.
Dave Tweed
22
Tenga en cuenta que el LED azul de alto brillo fue un avance lo suficientemente grande como para que Nakamura, junto con dos de sus colaboradores (Akasaki y Amano), obtuviera el Premio Nobel de Física 2014 por ello.
Michael Seifert
14
Por cierto, puede utilizar este hecho para fechar instantáneamente obras de ciencia ficción en la televisión o las películas. Por ejemplo, en Star Trek, TNG, cada vez que abren el cráneo de Data para mostrar su red positrónica, hay muchos LED parpadeantes, todos rojos, amarillos o verdes, porque eso es lo que los diseñadores de utilería tenían disponible y asequible en ese momento. .
Darrel Hoffman
66
Trabajé en una tienda de electrónica minorista (pequeña, sin cadenas) justo después de que los LED azules de alto brillo estuvieran disponibles (alrededor del año 2000). Rojo / verde / amarillo se vendieron a granel por centavos, mientras que un solo LED azul de alto brillo se vendió en una ampolla por alrededor de $ 10 MSRP.
SevenSidedDie
30

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.

pjc50
fuente
55
La emisión de LED es mucho más amplia, espectralmente, que un láser. Los láseres son extremadamente monocromáticos porque proporcionan un mecanismo de retroalimentación (emisión estimulada) que concentra la amplificación óptica en una banda de longitud de onda extremadamente estrecha. Los LED, por otro lado, producen una emisión espectral bastante amplia en comparación. No hay efectos de coherencia con un LED, por ejemplo (moteado, interferencia, etc.)
J ...
@J ...: There are no coherency effects with an LED- no hay efectos de coherencia con algunos LED. Hay con otros. Específicamente, hay efectos de coherencia en los llamados LED láser (hay una pregunta sobre física. Si estos láseres deberían llamarse "láseres" ya que la luz coherente se crea sin la ayuda de la emisión estimulada)
slebetman
44
@slebetman Los diodos láser siguen siendo láseres, y ciertamente usan emisión estimulada.
J ...
Muchas bombillas LED (posiblemente la mayoría, especialmente para las más baratas) usan un gotero capacitivo simple, no un modo de interruptor.
Grahamparks
16

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.

...

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:

         Disipadores de calor 1    Disipadores de calor 2    Disipadores de calor 3
          (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.

hBy2Py
fuente
55
Varias personas ya han mencionado mejoras en la eficiencia, que es lo mismo que generar menos calor por lumen. Tenga en cuenta también que el primer artículo es de 2005, que es hace mucho tiempo considerando la velocidad a la que los LED han ido evolucionando.
Nick Alexeev
3
@NickAlexeev Los usos que veo de eficiencia en todas las respuestas hasta ahora son usos únicos de la palabra, o en frases cortas. Soy un ChemE, no EE, así que tal vez mi intuición es incómoda para EEEE, pero cuando los leo escucho que cuestan demasiado porque usan demasiada electricidad , no generan tanto calor que se dañan a sí mismos . Sentí que se justificaba un poco más de detalles sobre las consideraciones prácticas de la gestión del calor. Lo siento, puse mi pulgar en tu ojo.
hBy2Py
2
Las bombillas incandescentes de Brian producen más calor que los LED. Pero también son más tolerantes al calor, porque no tienen componentes electrónicos. Los LED producen menos calor que las bombillas incandescentes. Pero también son menos tolerantes a la temperatura, porque tienen componentes electrónicos a bordo. Entonces, ¿qué otra, digamos, 3W de calor residual entre amigos? Bueno, el valor de 3W en la factura de electricidad no es un gran problema (acabamos de ahorrar quizás 70W, en comparación con un incandescente). Por otro lado, tener que rechazar 3W adicionales es un problema, porque el disipador de calor adicional aumenta el costo.
Nick Alexeev
2
@DanNeely Sin embargo, son cosas separadas. Además de "los LED son fríos al tacto porque generalmente no producen calor en forma de radiación infrarroja (IR)", lo cual es incorrecto porque los LED son fríos porque son dispositivos de mucha menor potencia por lumen, la descripción de la cita Es completamente exacto. La radiación IR no es calor. La mayoría de los materiales absorben el IR muy fácilmente, es cierto, convirtiéndolo en calor donde golpea, pero el IR cruza el gas y el vacío a la velocidad de la luz, mientras que el calor no puede. Por lo tanto, en las bombillas, 1W de calor está más localizado que 1W de IR.
hBy2Py
77
Técnicamente hablando, las bombillas son meras resistencias que no pueden producir más que calor. Ese calor se transforma en IR y luz a través de la radiación del cuerpo negro . Entonces, una bombilla produce 100% de calor que se disipa de manera diferente: 88% por radiación y 12% por transferencia de calor.
Dmitry Grigoryev
12

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

Jake Peters
fuente
55
Es por eso que el sistema de patentes es basura
Passerby
7

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.

R Drast
fuente
44
Sin embargo, hacer una bombilla incandescente no es en absoluto trivial: el delicado alambre de tungsteno (material difícil de trabajar) debe suspenderse con mucho cuidado en una bombilla bien sellada ... Por supuesto, fue la producción en masa lo que bajó los precios , pero los LED individuales de baja potencia han sido durante mucho tiempo más baratos que cualquier bombilla incandescente.
Leftaroundabout
66
Los LED individuales de baja potencia pueden haber sido más baratos que las bombillas incandescentes, pero se necesitarían muchos de esos LED de 20 mA para iluminar una habitación. Un factor importante en la aparición de lámparas LED utilizables fue la eliminación gradual que sucedió en muchos países en los últimos 10 años, lo que impidió que los LED tuvieran que competir con el statu quo anterior barato.
Guntram Blohm
Si considera el costo de la electricidad, las luces LED son más baratas que las bombillas incandescentes. Un LED de 10 W produce la misma cantidad de luz que una bombilla de 60 W. Eso es un ahorro de energía de 50 kWh por 1000 horas. Donde vivo (en Suecia), eso es 10 $ de descuento en mis facturas de electricidad por cada 1000 horas de tiempo de grabación y los LED suelen durar varios miles de horas.
Klas Lindbäck
Si bien estoy de acuerdo en que el costo de funcionamiento finalmente se amortiza, la pregunta era por qué tardó tanto en aparecer las bombillas LED de intensidad y color utilizables. En casa, estoy cambiando a medida que las cosas se queman, pero aún así las bombillas incandescentes cuestan alrededor de un dólar por paquete de 2, donde los LED de calidad decente comienzan en alrededor de $ 10 cada uno.
R Drast
1
También está la mentalidad del público en general y los problemas de leyes: los productores de luces fluorescentes hicieron campaña y aprobaron leyes contra las bombillas incandescentes. Creó el vacío que estaba lleno de leds (en lugar de fluorescentes).
Agent_L
6

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.

Transeúnte
fuente
3
"Esta es una cuestión de economía e inercia pública" También se trata de que los LED (y, especialmente, los LED blancos) no sean remotamente una tecnología tan antigua como supone la pregunta.
David Richerby
@davidricherby y la tecnología incandescente precedieron a Edison por años, pero su empleado creó una versión barata y duradera que comercializó muy bien. La fecha de creación no es tan importante.
Passerby
2

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.

thorb3n
fuente
2
En realidad, los LED blancos usan un ultravioleta o, más comúnmente, un LED azul para estimular una capa de fósforo que emite la luz blanca. Es cierto que cuando ve un panel de visualización grande para video, utiliza múltiples leds de color primario y el ojo humano puede ver los leds mezclados.
Craig K
1

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.

MaximGi
fuente
44
Los LED azules llegaron muy tarde. Inicialmente, era rojo. Entonces verde. Luego amarillos y naranjas. Tuvimos que esperar años para el azul, y los primeros eran horriblemente caros y no muy eficientes.
Simon B
1
@SimonB Un libro que narra el proceso de desarrollo podría titularse algo así como Band Gaps on the Rack . :-)
hBy2Py
Los faros de los vehículos son un mal ejemplo; Sus altos precios se deben a otros factores, LED o no. Los emisores LED blancos de alta potencia montados en una estrella no son terriblemente caros; se pueden tener en pequeñas cantidades por menos de $ 5 cada una. Hay linternas disponibles con estos emisores por tan solo $ 10-20.
Taudris
1

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.

ingrese la descripción de la imagen aquí

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.

PlasmaHH
fuente
-4

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.

Jim
fuente
55
No soy el voto negativo, pero esta respuesta es incoherente y hace una serie de afirmaciones incorrectas y sin respaldo. Le sugiero que revise o retire esta respuesta.
DrFriedParts
La conversión de energía eficiente y barata es un problema que muchas "bombillas" aún no resuelven muy bien, pero su respuesta no está bien escrita.
supercat
Tampoco soy el downvoter. Pero "amperaje" es una palabra utilizada en la televisión, no en un foro de EE. Utilice "actual" en su lugar :)
Ingeniero invertido
Además, el voltaje no pasa por un LED. Entiendo por qué te rechazaron, aunque no lo hice
Ingeniero Revertido