Mengapa LED butuh waktu lama untuk muncul sebagai bola lampu?


72

LED adalah teknologi lama, mengapa industri membutuhkan waktu lama untuk memasukkannya ke dalam bola lampu? Apakah ada kesenjangan teknologi yang hilang?


Video yang agak terkait: The First Light Emitting Diodes. Ini menunjukkan betapa rendahnya efisiensi LED awal.
Nick Alexeev

10
Dari perspektif tertentu itu adalah teknologi baru ... Saya kira Anda tidak pernah merasa seperti "oh wow, warna LED baru ada di pasaran sekarang, mari kita dapatkan, oh itu sangat mahal"
PlasmaHH

@plasmahh tepatnya. Dan biaya tinggi itu berarti produsen tidak dapat memproduksi dan mengurangi harga secara massal. Tangkap 22 ekonomi teknologi baru.
Pejalan kaki

Industri Asmyldof digunakan untuk menempatkan LED dalam pencahayaan jauh sebelum LED biru di 90-an muncul. Tapi itu melelahkan setelah beberapa saat harus menyolder 300 LED kuning menjadi lampu malam, jadi hanya sekelompok yang pernah diproduksi dan hanya satu yang selamat sampai hari ini. ;-)
Asmyldof

Jawaban:


84

Tidak mungkin menghasilkan cahaya putih tanpa LED biru yang efisien, baik menggunakan LED RGB atau LED biru + fosfor kuning.

Terobosan itu adalah penemuan LED biru kecerahan-tinggi Gallium-Nitride oleh Shuji Nakamura di Nichia pada awal 1990-an.

Masih butuh beberapa saat untuk mendapatkan efisiensi keseluruhan hingga tingkat lampu neon, dan hanya dalam dekade terakhir LED akhirnya keluar di atas.


4
Ini menjelaskan warna putih, tetapi bagaimana dengan misalnya lampu lalu lintas? Mereka tidak mulai memuntahkan lampu LED merah / kuning / hijau sampai awal 2000-an, setidaknya di kota-kota di NE USA. Apakah mereka menggunakan warna biru juga?
Jason C

20
@JasonC: LED merah, kuning dan hijau terang telah ada untuk sementara waktu. Namun, saya tidak berpikir ada banyak motivasi untuk membuat lampu lalu lintas dari mereka pada awalnya. Untuk satu hal, sebenarnya ada kelemahan serius: Mereka tidak cukup hangat untuk membersihkan diri dari salju! Saya kira itu hanya dalam dekade terakhir atau lebih sehingga skala ekonomi dari memproduksi lampu untuk aplikasi lain membuatnya ekonomis untuk menghasilkan lampu sinyal lalu lintas juga.
Dave Tweed

22
Perhatikan bahwa LED biru kecerahan tinggi merupakan terobosan yang cukup besar sehingga Nakamura, bersama dengan dua kolaboratornya (Akasaki dan Amano), memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2014 untuk itu.
Michael Seifert

14
Secara kebetulan, Anda dapat menggunakan fakta ini untuk memutakhirkan langsung karya-karya fiksi ilmiah di TV atau film. Misalnya, di Star Trek, TNG, setiap kali mereka membuka tengkorak Data untuk menunjukkan jaring positroniknya, ada banyak LED yang berkedip di sana - semuanya merah, kuning, atau hijau, karena itulah yang dimiliki oleh perancang prop dan terjangkau saat itu. .
Darrel Hoffman

6
Saya bekerja di sebuah toko elektronik ritel (kecil, non-rantai) tepat setelah LED biru kecerahan tinggi tersedia (sekitar 2000). Merah / hijau / kuning dijual dalam jumlah besar untuk uang, sedangkan LED biru terang tinggi dijual dalam blister seharga sekitar $ 10 MSRP.
SevenSidedDie

30

Butuh waktu lama untuk menghasilkan LED yang memiliki "suhu warna" yang wajar (warna putih), dan efisiensi tinggi yang sesuai. Prinsip operasi normal LED hanya menghasilkan satu pita cahaya, seperti laser. Jadi yang putih terbuat dari LED biru atau UV dan pemancar ulang fosfor.

Untuk penggantian yang mudah dari fiting lampu konvensional, lampu LED juga membutuhkan konverter AC-DC kecil, murah, arus konstan. Ini biasanya semacam catu daya switchmode. Ini juga hanya benar-benar menjadi murah dan tersedia secara luas dalam dekade terakhir.

Lihat juga Hadiah-L.


5
Emisi LED jauh lebih luas, secara spektral, daripada laser. Laser sangat monokromatik karena mereka menyediakan mekanisme umpan balik (stimulasi emisi) yang memusatkan amplifikasi optik menjadi pita panjang gelombang yang sangat sempit. Sebaliknya, LED menghasilkan emisi spektral yang agak luas. Tidak ada efek koherensi dengan LED, misalnya (speckle, interferensi, dll.)
J ...

@ J ...: There are no coherency effects with an LED- tidak ada efek koherensi dengan beberapa LED. Ada bersama orang lain. Secara khusus, ada efek koherensi dalam apa yang disebut laser LED (ada pertanyaan tentang fisika. Lihat apakah laser seperti itu harus disebut "laser" karena cahaya yang koheren dibuat tanpa bantuan emisi yang terstimulasi)
slebetman

4
@slebetman Dioda laser masih berupa laser, dan mereka pasti menggunakan emisi terstimulasi.
J ...

Banyak bola lampu LED (mungkin sebagian besar, terutama yang lebih murah) menggunakan penetes kapasitif sederhana, bukan mode sakelar.
grahamparks

16

Mayoritas jawaban sejauh ini telah berfokus pada tantangan teknis mereplikasi cahaya putih dengan LED, dengan pengembangan LED biru menjadi terobosan utama di bagian depan itu. Beberapa menyebutkan telah dibuat dari kesulitan mengembangkan LED biru dengan efisiensi yang cukup untuk membuat lampu praktis. Walaupun hal ini mungkin terlihat jelas dalam mempraktikkan EE, saya pikir ada baiknya menguraikan secara lebih rinci mengapa efisiensi yang terlalu rendah merupakan penghalang komersialisasi: yaitu, panas lama yang biasa .

Keuntungan LED yang sering dikutip adalah bahwa mereka tidak menghasilkan panas, dan keren untuk disentuh. Fakta atau Fiksi?

Di satu sisi ini benar: LED keren untuk disentuh karena mereka umumnya tidak menghasilkan panas dalam bentuk radiasi inframerah (IR) (kecuali tentu saja mereka adalah LED IR). Radiasi IR memanaskan selungkup dan lingkungan dari lampu pijar dan sumber lainnya, membuatnya panas saat disentuh. Tidak adanya radiasi IR memungkinkan perlengkapan LED diposisikan di lokasi di mana pemanasan dari sumber konvensional akan menyebabkan masalah tertentu misalnya menerangi makanan atau tekstil.

Namun, yang terpenting, panas dihasilkan di dalam perangkat LED itu sendiri, karena ketidakefisienan proses semikonduktor yang menghasilkan cahaya. Efisiensi steker-dinding (daya optik keluar dibagi dengan daya listrik masuk) dari paket LED biasanya di wilayah 5-40%, yang berarti bahwa di suatu tempat antara 60 dan 95% daya input hilang karena panas .

Energi yang dikonsumsi oleh bola lampu pijar 100 watt GLS menghasilkan sekitar 12% panas, 83% IR dan hanya 5% cahaya tampak. Sebaliknya, LED tipikal dapat menghasilkan 15% cahaya tampak dan 85% panas. Terutama dengan LED daya tinggi, penting untuk menghilangkan panas ini melalui manajemen termal yang efisien. Tanpa heat sink yang baik, suhu internal (persimpangan) LED naik, dan ini menyebabkan karakteristik LED berubah.

...

Paling penting, suhu persimpangan mempengaruhi masa pakai LED. Tidak seperti sumber cahaya lainnya, LED cenderung tidak gagal secara besar-besaran (walaupun jumlahnya sedikit, terutama jika Anda memasaknya); sebagai gantinya, output LED berkurang seiring waktu.

(penekanan ditambahkan)

- T. Whitaker. "Fakta atau Fiksi - LED tidak menghasilkan panas". Majalah LEDs, Mei 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html

Pencarian Gambar Google untuk "led bulb heat sink" ternyata benar-benar kebun binatang desain heatsink:

         Heatsink 1    Heatsink 2    Heatsink 3
          (Klik gambar untuk versi yang lebih besar)

Saya menduga bahwa ada beberapa keterlambatan dalam penetrasi pasar karena perbedaan mencolok dari faktor bentuk yang diperlukan untuk manajemen termal.


5
Beberapa orang telah menyebutkan peningkatan efisiensi, yang sama dengan menghasilkan lebih sedikit panas per lumen. Perhatikan juga bahwa artikel pertama adalah dari 2005, yang sudah sangat lama mengingat kecepatan di mana LED telah berkembang.
Nick Alexeev

3
@NickAlexeev Penggunaan yang saya lihat dari efisiensi dalam semua jawaban sejauh ini adalah penggunaan tunggal kata, atau dalam frasa pendek. Saya seorang ChemE, bukan EE, jadi mungkin intuisi saya adalah miring untuk EE.SE, tetapi ketika saya membacanya, saya mendengar harganya terlalu mahal karena mereka menggunakan terlalu banyak listrik , mereka tidak menghasilkan panas yang terlalu banyak sehingga merusak diri mereka sendiri . Saya merasa lebih detail tentang pertimbangan praktis manajemen panas. Maaf saya menjepit ibu jari saya di mata Anda.
hBy2Py

2
@Brian Lampu pijar menghasilkan lebih banyak panas daripada LED. Tetapi mereka juga lebih toleran terhadap panas, karena mereka tidak memiliki elektronik. LED menghasilkan lebih sedikit panas dibandingkan lampu pijar. Tetapi mereka juga kurang toleran terhadap suhu, karena mereka memiliki barang elektronik. Jadi apa lagi, katakanlah, 3W sampah panas di antara teman-teman? Nah, tagihan listrik senilai 3W bukan masalah besar (kami baru saja menghemat mungkin 70W, dibandingkan dengan lampu pijar). Di sisi lain, harus menolak tambahan 3W adalah masalah, karena penambahan heat sink meningkatkan biaya.
Nick Alexeev

2
@DanNeely Mereka adalah hal-hal yang terpisah. Selain dari "LED itu keren untuk disentuh karena mereka umumnya tidak menghasilkan panas dalam bentuk radiasi inframerah (IR)," yang salah karena LED itu keren karena mereka jauh lebih rendah daya perangkat per-lumen, deskripsi kutipan sepenuhnya akurat. Radiasi IR bukan panas. Kebanyakan bahan menyerap IR dengan sangat mudah, benar, mengubahnya menjadi panas di mana ia menyerang, tetapi IR melintasi gas & vakum pada kecepatan cahaya sedangkan panas tidak bisa. Jadi, dalam bola lampu, 1W panas lebih terlokalisasi daripada 1W IR.
hBy2Py

7
Secara teknis, bola lampu hanyalah resistor yang tidak bisa menghasilkan apa-apa selain panas. Panas itu ditransformasikan menjadi IR dan cahaya melalui radiasi benda hitam . Jadi bola lampu menghasilkan 100% panas yang didisipasi secara berbeda: 88% melalui radiasi dan 12% melalui transfer panas.
Dmitry Grigoryev

12

Aspek kecil lain, non-teknis, yang berkontribusi terhadap penundaan beberapa tahun adalah masalah paten terkait dengan produksi LED biru.

Nichia, tempat Nakamura bekerja, memiliki banyak paten utama GaN (Gallium Nitride), tetapi tidak semua. Lainnya, seperti Cree (paten SiC) dan Toyoda Gosei (paten LED lainnya) memiliki paten kunci lain yang diperlukan untuk menghasilkan LED biru dalam volume tinggi.

Masalah teknis umumnya ditemukan pada akhir 1990-an, tetapi para pemain LED besar tidak menghasilkan kuantitas LED biru (sebagian, sebagian besar?) Karena masalah litigasi paten.

Pada akhir 2002, beberapa perjanjian paten lintas-paten kunci selesai dan dalam 1-2 tahun ada peningkatan besar dalam volume LED biru yang diproduksi.

Cree dan Nichia Mengumumkan Perjanjian Lisensi Paten Lintas dan Penyelesaian Litigasi http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia dan Toyoda Gosei menyelesaikan perselisihan LED http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214


5
Itulah sebabnya sistem patennya adalah sampah
Pejalan kaki

7

Jangan mengabaikan fakta biaya yang sederhana.
Lampu pijar biasa dapat dibuat untuk uang, dan dijual dengan harga tidak lebih.


4
Membuat bola lampu pijar tidak berarti sepele sekalipun - kawat luka halus dari tungsten (bahan rumit untuk bekerja), perlu ditangguhkan dengan sangat hati-hati dalam bola yang disegel dengan baik ... tentu saja produksi massal yang menurunkan harga , tetapi satu LED berdaya rendah telah lama lebih murah daripada bohlam pijar mana pun.
leftaroundabout

6
LED berdaya rendah tunggal mungkin lebih murah daripada lampu pijar, tetapi akan membutuhkan banyak LED 20 mA untuk menerangi ruangan. Faktor besar dalam penampilan lampu LED yang dapat digunakan adalah Penghapusan secara bertahap yang terjadi di banyak negara dalam 10 tahun terakhir, yang menghentikan LED karena harus bersaing dengan status quo sebelumnya yang murah.
Guntram Blohm

Jika Anda memperhitungkan biaya listrik, lampu LED lebih murah daripada lampu pijar. LED 10 W menghasilkan jumlah cahaya yang sama dengan bohlam 60 W. Itu penghematan daya 50 kWh per 1000 jam. Di mana saya tinggal (di Swedia), yaitu 10 $ dari tagihan listrik saya per 1000 jam waktu bakar dan LED biasanya bertahan beberapa ribu jam.
Klas Lindbäck

Sementara saya setuju bahwa biaya operasional akhirnya membayar untuk dirinya sendiri, pertanyaannya adalah mengapa perlu waktu lama untuk lampu LED untuk intensitas dan warna yang dapat digunakan untuk muncul. Di rumah, saya beralih ketika barang-barang terbakar, tetapi lampu pijar masih sekitar satu dolar per paket 2, di mana kualitas LED yang baik mulai sekitar $ 10 masing-masing.
R Drast

1
Ada juga pola pikir masyarakat umum dan masalah hukum: Produsen lampu neon berkampanye dan mengeluarkan undang-undang terhadap lampu pijar. Itu menciptakan kekosongan yang diisi oleh led (bukan fluorescent).
Agent_L

6

Ini adalah masalah inersia ekonomi dan publik. Teknologi lama lebih murah untuk diproduksi karena investasi jangka panjang dalam infrastruktur dan produksi massal. Teknologi baru harus melalui masalah pendanaan, investasi awal, pembangunan infrastruktur, pemasaran, lambatnya tahap adopter awal, kesepakatan distribusi, dll. Jika bukan karena undang-undang di AS yang memaksakan cara untuk teknologi baru, sebagian besar masih akan menyala pijar alih-alih campuran saat ini pijar, CFL, dipimpin. Ini bukan tangan kapitalistik alami dari kekuatan pasar bebas , tetapi adopsi paksa.

Manfaat leds menempati urutan kedua bagi kebanyakan orang, yang lesu dalam adopsi teknologi, terutama dalam menghadapi biaya awal yang lebih tinggi. . Kebanyakan orang menolak pada bola lampu 20 dolar dibandingkan dengan pijar 3 seharga $ 3, bahkan jika bola lampu pijar akan bertahan lebih lama dari 20 lampu pijar dengan setengah biaya operasi. Baru sekarang lampu led individu turun ke kisaran 5 ~ 10 dolar yang orang benar-benar bergerak ke arah itu.


3
"Ini adalah masalah ekonomi dan kelembaman publik" Ini juga masalah LED (dan, terutama, LED putih) yang tidak seusia teknologi seperti yang dikemukakan oleh pertanyaan itu.
David Richerby

@davidricherby dan teknologi pijar mendahului Edison selama bertahun-tahun, tetapi karyawannya menciptakan versi tahan lama yang murah yang ia pasarkan dengan sangat baik. Tanggal pembuatan tidak begitu penting.
Pejalan kaki

2

Masalahnya adalah menciptakan cahaya putih alami. Siang hari normal memiliki spektrum frekuensi di dalamnya, tetapi leds hanya dapat menghasilkan pada panjang gelombang tertentu. Jadi para insinyur telah menemukan bahan yang berbeda untuk menghasilkan panjang gelombang yang berbeda. kemudian led yang berbeda dicampur bersama sehingga cahaya yang dihasilkan cukup putih alami.


2
Sebenarnya LED putih menggunakan ultraviolet atau lebih biasanya hari ini LED biru untuk merangsang lapisan fosfor yang memancarkan cahaya putih. Memang benar bahwa ketika Anda melihat panel tampilan besar untuk video yang menggunakan beberapa led warna primer dan mata manusia dapat melihat leds dicampur bersama.
Craig K

1

Pertama, sekitar 40 tahun yang lalu, mereka menemukan LED merah. Kemudian muncul warna biru / hijau / lainnya secara progresif mengikuti evolusi teknologi yang berbeda. Juga, dioda pertama tidak terlalu kuat.

Jadi, masalahnya adalah membuat dioda pemancar cahaya putih , dan membuatnya cukup kuat untuk dapat bersaing dengan bola lampu, yang hanya terjadi kurang dari 10 tahun yang lalu. Dan dioda putih masih sangat mahal, tetapi biaya sebagian besar dikompensasi oleh daya tahan mereka. Cobalah untuk mencari harga satu Audi / BMW / lampu utama apa pun dan Anda akan mengerti.


4
LED biru datang sangat terlambat. Awalnya, warnanya merah. Lalu hijau. Lalu kuning dan jeruk. Kami harus menunggu bertahun-tahun untuk warna biru, dan yang awal sangat mahal dan tidak terlalu efisien.
Simon B

1
@SimonB Sebuah buku yang mencatat proses pengembangan mungkin berjudul sesuatu seperti Band Gaps on the Rack . :-)
hBy2Py

Lampu depan kendaraan adalah contoh buruk; harga tinggi mereka karena faktor lain, LED atau tidak. Pemancar LED putih berdaya tinggi yang dipasang pada bintang tidak terlalu mahal; mereka bisa didapat dalam jumlah kecil masing-masing di bawah $ 5. Ada senter yang tersedia dengan emitor ini hanya dengan $ 10-20.
Taudris

1

Setiap aplikasi penerangan memiliki tuntutannya sendiri, dan biasanya itu telah terpecahkan selama lebih dari seratus tahun. Solusi baru jarang unggul dalam kualitas dan biaya sejak awal. Contoh lain yang belum disebutkan adalah CRI (Color Rendering Index).

Sementara lampu pijar memiliki respons spektral yang mirip dengan benda hitam (karenanya kami memiliki sistem suhu warna), lampu LED putih tidak.

masukkan deskripsi gambar di sini

Bahkan mereka yang dipasarkan "CRI sangat tinggi" hampir 100 seperti pada gambar di atas (beberapa pencarian pencarian gambar google) memang hanya menghasilkan keluaran cahaya yang mirip seperti lampu pijar atau matahari.

Untuk banyak aplikasi, ini baik-baik saja, tetapi terutama kesulitan mengubah warna kulit membuatnya tidak cocok tidak hanya untuk banyak aplikasi media tetapi juga membuat orang-orang di ruang tamu Anda terlihat agak sakit.

Juga beberapa daerah lain memiliki kebutuhan untuk rendering warna yang tepat, seperti orang yang menjual barang-barang di mana warna itu penting.

Ini semua mungkin merupakan bagian kecil, tetapi semua jawaban lain menyebutkan poin-poin lain yang mungkin juga kecil, tetapi secara total memberikan inersia pasar yang cukup seolah-olah tidak ada semua masalah kecil di awal.

Ambil teknologi masa depan dengan SMPS kecil dan LED putih 99CRI murah kembali ke tahun 1997 dan semua orang akan langsung beralih ke teknologi itu.


-4

Mereka juga harus mendapatkan voltase dan arus listrik yang benar melalui LED untuk membuatnya bertahan hampir selamanya dan mendapatkan putih paling terang pada LED putih yang tidak terlalu berpengaruh pada LED merah, hijau, dll. Lampu pijar mungkin membutuhkan biaya untuk membuat uang tetapi karena Spiral Compact Fluorescent Light Bulbs keluar yang seharusnya berlangsung selama bertahun-tahun tetapi tidak berarti, lampu pijar lebih sedikit di mana Anda membelinya dan telah naik sedikit harga dan karena mereka menggunakan tegangan yang lebih rendah, saya melihat lampu CFL semakin murah dan dibuat lebih murah tidak bertahan selama mereka lakukan sekarang dan lampu pijar semakin tinggi.


5
Saya bukan downvote, tetapi jawaban ini tidak koheren dan membuat sejumlah pernyataan yang salah dan tidak didukung. Saya sarankan Anda merevisi atau menarik jawaban ini.
DrFriedParts

Konversi daya yang efisien murah memang masalah yang banyak "lampu" masih belum menyelesaikan dengan baik, tetapi jawaban Anda tidak ditulis dengan baik.
supercat

Saya juga bukan downvoter. Tapi "ampere" adalah kata yang digunakan di TV, bukan di forum EE. Gunakan "saat ini" sebagai gantinya :)
Reversed Engineer

Juga, tegangan tidak melalui LED. Saya mengerti mengapa Anda diturunkan suara, meskipun saya tidak
Insinyur Terbalik
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.