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

72

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

PDuarte
quelle
etwas ähnliches Video: Die ersten Leuchtdioden. Es wurde gezeigt, wie niedrig der Wirkungsgrad früher LEDs war.
Nick Alexeev
10
Aus bestimmten Gründen handelt es sich um eine neue Technologie ... Ich glaube, Sie hatten nie das Gefühl, "oh wow, diese neue LED-Farbe ist jetzt auf dem Markt, lasst uns welche holen, oh das ist verdammt teuer"
PlasmaHH
@plasmahh genau. Und diese hohen Kosten bedeuten wiederum, dass der Hersteller keine Massenproduktion und Preissenkung durchführen kann. Fangen Sie 22 neue Tech-Ökonomie.
Passant
Die Industrie von Asmyldof hat die LED-Beleuchtung früher eingeschaltet, als die blauen LEDs in den 90er Jahren auf den Markt kamen. Aber nach einer Weile wird es anstrengend, 300 gelbe LEDs in ein Nachtlicht zu löten, sodass nur ein Haufen produziert wurde und nur einer bis heute überlebt hat. ;-)
Asmyldof

Antworten:

84

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.

Dave Tweed
quelle
4
Das erklärt Weiß, aber was ist zB mit Ampeln? Sie haben erst in den frühen 2000er Jahren begonnen, rote / gelbe / grüne LED-Lichter zu werfen, zumindest in Städten im Nordosten der USA. Verwenden sie dort auch Blau?
Jason C
20
@JasonC: Leuchtende rote, gelbe und grüne LEDs gibt es schon eine Weile. Ich glaube jedoch nicht, dass es anfangs viel Motivation gab, daraus Ampeln zu bauen. Zum einen gibt es tatsächlich einen gravierenden Nachteil: Sie werden nicht warm genug, um sich vom Schnee zu befreien! Ich vermute, dass es erst in den letzten zehn Jahren möglich war, auch Lampen für Verkehrssignale wirtschaftlich zu produzieren, da die Herstellung von Lampen für andere Anwendungen in großem Maßstab wirtschaftlich war.
Dave Tweed
22
Beachten Sie, dass die blaue LED mit hoher Helligkeit ein ausreichend großer Durchbruch war, für den Nakamura zusammen mit zwei seiner Mitarbeiter (Akasaki und Amano) den Nobelpreis für Physik 2014 erhielt.
Michael Seifert
14
Übrigens können Sie diese Tatsache nutzen, um Science-Fiction-Werke sofort im Fernsehen oder im Kino zu datieren. In Star Trek, TNG, blinken zum Beispiel viele LEDs, wenn sie den Schädel von Data öffnen, um sein positronisches Netz zu zeigen - allesamt rot, gelb oder grün, da dies von den Requisitendesignern zu diesem Zeitpunkt verfügbar und erschwinglich war .
Darrel Hoffman
6
Ich habe in einem (kleinen, nicht in der Kette befindlichen) Elektronikfachgeschäft gearbeitet, kurz nachdem blaue LEDs mit hoher Helligkeit erhältlich waren (ca. 2000). Rot / Grün / Gelb wurden in großen Mengen für ein paar Cent verkauft, während eine einzelne blaue, leuchtstarke LED in einem Blister für etwa 10 US-Dollar (UVP) verkauft wurde.
SevenSidedDie
30

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.

pjc50
quelle
5
Die LED-Emission ist spektral viel breiter als die eines Lasers. Laser sind extrem monochrom, weil sie einen Rückkopplungsmechanismus (stimulierte Emission) bieten, der die optische Verstärkung in einem extrem engen Wellenlängenband konzentriert. LEDs hingegen erzeugen eine vergleichsweise breite spektrale Emission. Es gibt keine Kohärenz-Effekte mit einer LED, zum Beispiel (Flecken, Interferenzen usw.)
J ...
@J ...: There are no coherency effects with an LED- Bei einigen LEDs treten keine Kohärenzeffekte auf. Es gibt mit anderen. Insbesondere gibt es Kohärenzwirkungen bei sogenannten Laser-LEDs (es gibt eine Frage zur Physik, ob solche Laser als "Laser" bezeichnet werden sollten, da das kohärente Licht ohne die Hilfe einer stimulierten Emission erzeugt wird)
slebetman
4
@slebetman Laserdioden sind immer noch Laser und verwenden auf jeden Fall stimulierte Emission.
J ...
Viele LED-Glühbirnen (möglicherweise die Mehrheit, besonders für billigere) verwenden eine einfache kapazitive Pipette, keinen Schaltmodus.
Grahamparks
16

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:

         Kühlkörper 1    Kühlkörper 2    Kühlkörper 3
          (Bilder anklicken für größere Versionen)

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

hBy2Py
quelle
5
Einige Leute haben bereits Verbesserungen der Effizienz erwähnt, was das gleiche ist wie weniger Wärme pro Lumen zu erzeugen. Beachten Sie auch, dass der erste Artikel aus dem Jahr 2005 stammt, was in Anbetracht der Geschwindigkeit, mit der sich LEDs entwickelt haben, eine lange Zeit zurückliegt.
Nick Alexeev
3
@NickAlexeev Die Verwendungen, die ich bisher in allen Antworten für effizient halte, sind einzelne Verwendungen des Wortes oder kurze Phrasen. Ich bin ein ChemE, kein EE, also ist meine Intuition für EE.SE vielleicht falsch, aber wenn ich sie lese, höre ich, dass sie zu viel kosten, weil sie zu viel Strom verbrauchen und nicht so viel Wärme erzeugen, dass sie sich selbst beschädigen . Ich war der Meinung, dass die praktischen Überlegungen zum Wärmemanagement eingehender erörtert werden sollten. Tut mir leid, dass ich dir meinen Daumen ins Auge gedrückt habe.
hBy2Py
2
@Brian Glühlampen erzeugen mehr Wärme als LEDs. Sie sind aber auch hitzebeständiger, weil sie keine Elektronik haben. LEDs erzeugen weniger Wärme als Glühlampen. Sie sind jedoch auch weniger temperaturbeständig, da sie über eine integrierte Elektronik verfügen. Also, was ist eine andere, sagen wir, 3 W Abwärme unter Freunden? Nun, die Stromrechnung mit einem Wert von 3 W ist kein so großes Problem (wir haben gerade 70 W eingespart, verglichen mit einer Glühlampe). Andererseits ist es ein Problem, zusätzliche 3 W abzulehnen, da eine zusätzliche Wärmeableitung die Kosten erhöht.
Nick Alexeev
2
@DanNeely Sie sind jedoch getrennte Dinge. Abgesehen davon, dass "LEDs sich kühl anfühlen, weil sie im Allgemeinen keine Wärme in Form von Infrarotstrahlung (IR) erzeugen", ist dies falsch, da LEDs kühl sind, weil sie Geräte mit viel geringerer Leistung pro Lumen sind, so die Beschreibung im Zitat ist völlig richtig. IR-Strahlung ist keine Wärme. Die meisten Materialien absorbieren IR sehr leicht und wandeln es in Wärme um, wo es auftrifft, aber IR durchquert Gas und Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit, während Wärme dies nicht kann. Somit ist in Glühbirnen 1 W Wärme lokalisierter als 1 W IR.
hBy2Py
7
Technisch gesehen sind Glühbirnen lediglich Widerstände, die nur Wärme erzeugen können. Diese Wärme wird durch Schwarzkörperstrahlung in IR und Licht umgewandelt . So eine Glühbirne 100% erzeugt Wärme , die unterschiedlich dissipiert wird: 88% durch Strahlung und 12% über Wärmeübertragung.
Dmitry Grigoryev
12

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

Jake Peters
quelle
5
Aus diesem Grund ist das Patentsystem Müll
Passant
7

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

R Kontrast
quelle
4
Die Herstellung einer Glühbirne ist jedoch keineswegs trivial - empfindlicher gewickelter Draht aus Wolfram (schwieriges Arbeitsmaterial) muss sehr sorgfältig in einer gut abgedichteten Birne aufgehängt werden ... es war natürlich die Massenproduktion, die die Preise senkte , aber einzelne Low-Power-LEDs waren lange Zeit billiger als jede Glühlampe.
linksum den
6
Einzelne Low-Power-LEDs waren vielleicht billiger als Glühlampen, aber es würde eine Menge dieser 20-mA -LEDs erfordern, um einen Raum zu beleuchten. Ein wichtiger Faktor für das Erscheinungsbild brauchbarer LED-Lampen war das in den letzten 10 Jahren in vielen Ländern zu beobachtende Auslaufen, das dazu führte , dass LEDs nicht mehr mit dem billigen früheren Status Quo mithalten mussten.
Guntram Blohm
Wenn Sie die Stromkosten berücksichtigen, sind LED-Leuchten billiger als Glühlampen. Eine 10-W-LED erzeugt die gleiche Lichtmenge wie eine 60-W-Glühbirne. Das sind 50 kWh Energieeinsparung pro 1000 Stunden. Wo ich lebe (in Schweden), sind das 10 $ weniger Stromkosten pro 1000 Stunden Brenndauer, und LEDs halten in der Regel mehrere tausend Stunden.
Klas Lindbäck
Ich bin damit einverstanden, dass sich die laufenden Kosten amortisieren, aber die Frage war, warum es so lange gedauert hat, bis LED-Lampen mit brauchbarer Intensität und Farbe aufgetaucht sind. Zu Hause schalte ich um, während die Dinge durchbrennen, aber immer noch kosten Glühlampen etwa einen Dollar pro 2er-Pack, wobei LEDs von anständiger Qualität bei jeweils etwa 10 US-Dollar beginnen.
R Drast
1
Es gibt auch Fragen der allgemeinen Öffentlichkeit und der Gesetzgebung: Die Hersteller von Leuchtstofflampen kämpften und verabschiedeten Gesetze gegen Glühbirnen. Es entstand die Lücke, die mit LEDs gefüllt war (anstatt mit Leuchtstoffröhren).
Agent_L
6

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.

Passant
quelle
3
"Dies ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit und der öffentlichen Trägheit." Es geht auch darum, dass LEDs (und insbesondere weiße LEDs) nicht so alt sind, wie es die Frage vermuten lässt.
David Richerby
@davidricherby und weißglühende Technologie gingen Edison jahrelang voraus, aber sein Mitarbeiter schuf eine billige, langlebige Version, die er sehr gut vermarktete. Das Erstellungsdatum ist nicht so wichtig.
Passant
2

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.

thorb3n
quelle
2
Tatsächlich verwenden weiße LEDs eine ultraviolette oder heute üblicher eine blaue LED, um eine Phosphorschicht zu stimulieren, die das weiße Licht emittiert. Wenn Sie ein großes Anzeigefeld für Videos sehen, werden zwar mehrere Primärfarben-LEDs verwendet, und das menschliche Auge kann erkennen, dass die LEDs miteinander verschmolzen sind.
Craig K
1

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.

MaximGi
quelle
4
Blaue LEDs kamen sehr spät. Anfangs war es rot. Dann grün. Dann Gelbs und Orangen. Wir mussten Jahre auf Blau warten, und die ersten waren schrecklich teuer und nicht sehr effizient.
Simon B
1
@SimonB Ein Buch, das den Entwicklungsprozess aufzeichnet, trägt möglicherweise den Titel " Band Gaps on the Rack" . :-)
hBy2Py
Fahrzeugscheinwerfer sind ein schlechtes Beispiel; Ihre hohen Preise sind auf andere Faktoren zurückzuführen, LED oder nicht. Weiße Hochleistungs-LED-Strahler, die auf einem Stern montiert sind, sind nicht besonders teuer. Sie sind in kleinen Mengen für jeweils weniger als 5 US-Dollar erhältlich. Es gibt Taschenlampen mit diesen Emittern für nur 10-20 US-Dollar.
Taudris
1

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.

Bildbeschreibung hier eingeben

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.

PlasmaHH
quelle
-4

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.

Jim
quelle
5
Ich bin nicht die Gegenstimme, aber diese Antwort ist inkohärent und macht eine Reihe falscher und nicht unterstützter Behauptungen. Ich würde vorschlagen, dass Sie diese Antwort überarbeiten oder zurückziehen.
DrFriedParts
Preiswerte, effiziente Energieumwandlung ist in der Tat ein Problem, das viele "Glühbirnen" immer noch nicht sehr gut lösen, aber Ihre Antwort ist nicht sehr gut geschrieben.
Supercat
Ich bin auch nicht der Downvoter. "Stromstärke" ist jedoch ein Wort, das im Fernsehen und nicht in einem EE-Forum verwendet wird. Verwenden Sie stattdessen "current" :)
Reversed Engineer
Außerdem geht die Spannung nicht über eine LED. Ich verstehe, warum du abgelehnt wurdest, obwohl ich es nicht getan habe
Reversed Engineer