Tại sao đèn LED mất nhiều thời gian để xuất hiện như bóng đèn?

Đèn LED là một công nghệ cũ, tại sao các ngành công nghiệp mất quá nhiều thời gian để đưa chúng vào bóng đèn? Có thiếu khoảng cách công nghệ nào không?

Không thể tạo ra ánh sáng trắng nếu không có đèn LED màu xanh hiệu quả, sử dụng đèn LED RGB hoặc đèn LED màu xanh lam + phốt pho màu vàng.

Bước đột phá là phát minh ra đèn LED xanh Gallium-Nitride độ sáng cao của Shuji Nakamura tại Nichia vào đầu những năm 1990.

Vẫn phải mất một thời gian để có được hiệu quả tổng thể lên đến mức của bóng đèn huỳnh quang, và chỉ trong thập kỷ qua, đèn LED cuối cùng đã xuất hiện trên đỉnh.

Phải mất một thời gian dài để sản xuất đèn LED có "nhiệt độ màu" hợp lý (màu trắng) và hiệu quả cao phù hợp. Nguyên lý hoạt động bình thường của đèn LED chỉ tạo ra một dải ánh sáng, giống như tia laser. Vì vậy, những cái màu trắng được làm bằng đèn LED màu xanh hoặc UV và tái phát phốt pho.

Để dễ dàng thay thế các phụ kiện ánh sáng thông thường, bóng đèn LED cũng cần một bộ chuyển đổi AC-DC nhỏ, rẻ, không đổi. Đây thường là một số loại cung cấp năng lượng chuyển đổi. Những thứ này cũng chỉ thực sự trở nên rẻ và có sẵn trong thập kỷ qua.

Xem thêm Giải thưởng L.

Phần lớn các câu trả lời cho đến nay đã tập trung vào thách thức kỹ thuật tái tạo ánh sáng trắng bằng đèn LED, với sự phát triển của đèn LED màu xanh là bước đột phá lớn trên mặt trận đó. Một số đề cập đã được thực hiện về những khó khăn trong việc phát triển đèn LED màu xanh với hiệu quả đủ để làm một chiếc đèn thực tế. Mặc dù điều này có thể rõ ràng khi thực hành EE, tôi nghĩ rằng nó đáng để nói chi tiết hơn tại sao hiệu quả quá thấp lại gây trở ngại cho thương mại hóa: cụ thể là nhiệt độ cũ .

Một lợi thế thường được trích dẫn của đèn LED là chúng không tạo ra nhiệt và mát khi chạm vào. Thật hay hư cấu?

Theo một nghĩa nào đó thì điều này là đúng: Đèn LED rất mát khi chạm vào vì chúng thường không tạo ra nhiệt dưới dạng bức xạ hồng ngoại (IR) trừ khi tất nhiên chúng là đèn LED hồng ngoại). Bức xạ hồng ngoại làm nóng vỏ và môi trường xung quanh của bóng đèn sợi đốt và các nguồn khác, khiến chúng nóng khi chạm vào. Việc không có bức xạ hồng ngoại cho phép đèn LED được đặt ở những vị trí mà việc sưởi ấm từ các nguồn thông thường sẽ gây ra một vấn đề cụ thể, ví dụ như chiếu sáng thực phẩm hoặc hàng dệt may.

Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là nhiệt được tạo ra trong chính thiết bị LED, do sự không hiệu quả của các quá trình bán dẫn tạo ra ánh sáng. Hiệu suất cắm trên tường (công suất quang được chia cho năng lượng điện trong) của các gói LED thường ở mức 5-40%, nghĩa là khoảng 60 đến 95% năng lượng đầu vào bị mất dưới dạng nhiệt .

Năng lượng tiêu thụ của bóng đèn sợi đốt GLS 100 watt tạo ra khoảng 12% nhiệt, 83% IR và chỉ 5% ánh sáng nhìn thấy được. Ngược lại, một đèn LED thông thường có thể tạo ra 15% ánh sáng nhìn thấy và 85% nhiệt. Đặc biệt với đèn LED công suất cao, điều cần thiết là loại bỏ nhiệt này thông qua quản lý nhiệt hiệu quả. Nếu không có khả năng tản nhiệt tốt, nhiệt độ bên trong (đường giao nhau) của đèn LED tăng lên và điều này làm cho các đặc tính của đèn LED thay đổi.

...

Đáng kể nhất, nhiệt độ đường giao nhau ảnh hưởng đến tuổi thọ của đèn LED. Không giống như các nguồn sáng khác, đèn LED không có xu hướng thất bại thảm hại (mặc dù một số lượng nhỏ làm, đặc biệt là nếu bạn nấu chúng); thay vào đó, đầu ra của đèn LED giảm dần theo thời gian.

_{(nhấn mạnh thêm)}

_{- T. Whitaker. "Sự thật hay hư cấu - Đèn LED không tạo ra nhiệt". Tạp chí đèn LED, tháng 5 năm 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html}

Một tìm kiếm của Google Images cho "tản nhiệt bóng đèn led" cho thấy một sở thú thực sự của các thiết kế tản nhiệt:

                 
          _{(Bấm vào hình ảnh cho các phiên bản lớn hơn)}

Tôi nghi ngờ rằng có một số độ trễ trong thâm nhập thị trường do sự khác biệt nổi bật của yếu tố hình thức cần thiết cho quản lý nhiệt.

Một khía cạnh nhỏ, phi kỹ thuật, góp phần gây ra sự chậm trễ vài năm là các vấn đề bằng sáng chế liên quan đến sản xuất đèn LED màu xanh.

Nichia, nơi Nakamura làm việc, có nhiều bằng sáng chế chính của GaN (Gallium Nitride), nhưng không phải tất cả. Những người khác, chẳng hạn như Cree (bằng sáng chế SiC) và Toyoda Gosei (bằng sáng chế LED khác) có các bằng sáng chế quan trọng khác cần thiết để sản xuất đèn LED màu xanh với khối lượng lớn.

Các vấn đề kỹ thuật thường được tìm ra vào cuối những năm 1990, nhưng các đầu phát LED lớn không sản xuất bất kỳ số lượng đèn LED màu xanh nào (một phần, chủ yếu là?) Vì các vấn đề kiện tụng bằng sáng chế.

Đến cuối năm 2002, một vài thỏa thuận cắt ngang bằng sáng chế quan trọng đã được hoàn thành và trong vòng 1-2 năm, đã có sự gia tăng rất lớn về khối lượng đèn LED màu xanh được sản xuất.

Cree và Nichia công bố Thỏa thuận cấp phép chéo bằng sáng chế và giải quyết vụ kiện http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia và Toyoda Gosei giải quyết tranh chấp LED http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

Đừng bỏ qua thực tế đơn giản của chi phí.
Bóng đèn sợi đốt thông thường có thể được làm cho đồng xu, và được bán với giá không nhiều.

Đây là một câu hỏi về kinh tế và quán tính công cộng. Công nghệ kế thừa rẻ hơn để sản xuất do đầu tư dài hạn vào cơ sở hạ tầng và sản xuất hàng loạt. Công nghệ mới phải trải qua các vấn đề về tài trợ, đầu tư ban đầu, xây dựng cơ sở hạ tầng, tiếp thị, giai đoạn tiếp nhận sớm, giao dịch phân phối, v.v. thay vì hỗn hợp hiện tại của sợi đốt, CFL, đã dẫn. Đó không phải là một bàn tay vô hình tư bản tự nhiên của các lực lượng thị trường tự do , mà là một sự chấp nhận bắt buộc.

Lợi ích của đèn led đứng thứ hai đối với hầu hết mọi người, những người thờ ơ trong việc áp dụng công nghệ, đặc biệt là khi đối mặt với chi phí ban đầu cao hơn. . Hầu hết mọi người chùn bước ở bóng đèn led 20 đô la so với bóng đèn 3 với giá 3 đô la, ngay cả khi bóng đèn led sẽ tồn tại lâu hơn 20 bóng đèn sợi đốt với chi phí chỉ bằng một nửa. Chỉ đến bây giờ, bóng đèn led riêng lẻ mới giảm xuống mức 5 ~ 10 đô la mà mọi người đang thực sự hướng tới nó.

Vấn đề là tạo ra ánh sáng trắng tự nhiên. Ánh sáng ban ngày bình thường có phổ tần số trong đó, nhưng đèn led chỉ có thể tạo ra trên một số bước sóng nhất định. Vì vậy, các kỹ sư đã phát minh ra các vật liệu khác nhau để tạo ra các bước sóng khác nhau. Sau đó, các đèn led khác nhau được trộn với nhau, vì vậy ánh sáng thu được có khá nhiều màu trắng tự nhiên.

Đầu tiên, khoảng 40 năm trước, họ đã phát minh ra đèn LED màu đỏ. Sau đó, dần dần màu xanh lam / xanh lá cây / màu khác theo sự phát triển công nghệ khác nhau. Ngoài ra, điốt đầu tiên không mạnh lắm.

Vì vậy, vấn đề là tạo ra các điốt phát sáng màu trắng , và làm cho chúng đủ mạnh để có thể cạnh tranh với bóng đèn, điều đã xảy ra chỉ chưa đầy 10 năm trước. Và điốt trắng vẫn rất đắt, nhưng chi phí phần lớn được bù đắp bởi độ bền của chúng. Hãy thử tìm kiếm giá của một chiếc Audi / BMW / bất kỳ đèn pha dẫn hoàn toàn nào và bạn sẽ hiểu.

Mỗi ứng dụng của ánh sáng đều có những nhu cầu riêng, và thường những thứ đó đã được giải quyết trong hơn một trăm năm. Các giải pháp mới hiếm khi vượt trội cả về chất lượng và chi phí ngay từ đầu. Một ví dụ khác chưa được đề cập là CRI (Chỉ số kết xuất màu).

Trong khi bóng đèn sợi đốt có phản ứng quang phổ tương tự như người đen (do đó chúng ta có hệ thống nhiệt độ màu), thì đèn LED trắng thì không.

Ngay cả những người có "CRI cực cao" được bán trên thị trường gần 100 như trong hình trên (một số lần tìm kiếm hình ảnh google) chỉ tạo ra ánh sáng tương tự bề ngoài như bóng đèn sợi đốt hoặc mặt trời.

Đối với nhiều ứng dụng, điều này là tốt, nhưng đặc biệt là những khó khăn trong việc hiển thị màu da khiến nó không phù hợp không chỉ với nhiều ứng dụng truyền thông mà còn khiến mọi người trong phòng khách của bạn trông hơi ốm.

Ngoài ra, một số khu vực khác có nhu cầu hiển thị màu sắc phù hợp, như những người bán đồ trong đó màu sắc là quan trọng.

Tất cả điều này có thể là một phần nhỏ, nhưng tất cả các câu trả lời khác đều đề cập đến những điểm khác cũng có thể là nhỏ, nhưng tổng cộng tạo ra thị trường đủ quán tính như thể lúc đầu không có tất cả những vấn đề nhỏ đó.

Đưa công nghệ ngày mai với đèn LED trắng SMPS nhỏ và 99CRI giá rẻ trở lại năm 1997 và mọi người sẽ gần như ngay lập tức chuyển sang công nghệ đó.

Họ cũng phải có được điện áp và cường độ chính xác đi qua đèn LED để khiến chúng tồn tại gần như mãi mãi và có được màu trắng sáng nhất trên đèn LED trắng, nơi nó không quan trọng lắm với đèn LED màu đỏ, xanh lục, v.v. Bóng đèn sợi đốt có thể tốn một xu nhưng vì Bóng đèn huỳnh quang xoắn ốc nhỏ gọn xuất hiện trong nhiều năm nhưng không có nghĩa là, bóng đèn sợi đốt ít hơn khi bạn mua chúng và đã tăng giá khá nhiều và kể từ đó họ sử dụng điện áp thấp hơn, tôi thấy bóng đèn CFL ngày càng rẻ hơn và được chế tạo không tồn tại lâu như hiện tại và bóng đèn sợi đốt ngày càng cao hơn.