Pourquoi les LED ont-elles mis si longtemps à apparaître comme des ampoules?

Les LED sont une technologie ancienne, pourquoi les industries ont-elles mis si longtemps à les transformer en ampoules? Y avait-il un manque technologique manquant?

Il n'est pas possible de produire de la lumière blanche sans une LED bleue efficace, en utilisant des LED RVB ou une LED bleue + phosphore jaune.

Shuji Nakamura, de Shuji Nakamura au début des années 1990, a inventé la LED bleue à haute luminosité en nitrure de gallium à haute luminosité .

Il a fallu encore un certain temps pour que l'efficacité globale atteigne le niveau des ampoules fluorescentes, et ce n'est que dans la dernière décennie que les LED se sont finalement imposées.

Il a fallu beaucoup de temps pour produire des LED présentant une "température de couleur" raisonnable (nuance de blanc) et un rendement suffisamment élevé. Le principe de fonctionnement normal des LED ne produit qu'une seule bande de lumière, comme un laser. Ainsi, les lampes blanches sont composées d’une LED bleue ou UV et d’un réémetteur de phosphore.

Pour remplacer facilement les luminaires classiques, les ampoules à LED ont également besoin d’un petit convertisseur AC-DC à courant constant et bon marché. C’est généralement une sorte d’alimentation à découpage. Ceux-ci aussi ne sont vraiment devenus bon marché et largement disponibles qu'au cours de la dernière décennie.

Voir aussi le prix L.

Jusqu'à présent, la majorité des réponses se sont concentrées sur le défi technique de la réplication de la lumière blanche à l'aide de LED, le développement de la LED bleue étant la principale avancée dans ce domaine. Certains ont évoqué la difficulté de développer des LED bleues avec une efficacité suffisante pour fabriquer une lampe pratique. Bien que cela puisse sembler évident à la pratique de l'efficacité énergétique, je pense qu'il est utile d'expliquer plus en détail pourquoi une efficacité trop faible a représenté un tel obstacle à la commercialisation: à savoir, la vieille chaleur .

Un avantage souvent cité des LED est qu'elles ne produisent pas de chaleur et sont froides au toucher. Fait ou fiction?

En un sens, cela est vrai: les DEL sont froides au toucher car elles ne produisent généralement pas de chaleur sous forme de rayonnement infrarouge (IR) (à moins qu'il s'agisse bien sûr de DEL IR). Le rayonnement infrarouge chauffe les enceintes et l'environnement des ampoules à incandescence et d'autres sources, les rendant chaudes au toucher. L'absence de rayonnement infrarouge permet aux luminaires à LED d'être placés dans des endroits où le chauffage par des sources conventionnelles poserait un problème particulier, par exemple l'éclairage d'aliments ou de textiles.

Cependant, le dispositif à LED lui-même produit de la chaleur en raison de l’inefficacité des processus semi-conducteurs générant de la lumière. L'efficacité de la prise murale (puissance optique divisée par l'entrée électrique) des boîtiers de LED est généralement de l'ordre de 5 à 40%, ce qui signifie qu'entre 60 et 95% de la puissance d'entrée est perdue sous forme de chaleur .

L'énergie consommée par une ampoule à incandescence GLS de 100 watts produit environ 12% de chaleur, 83% d'IR et seulement 5% de lumière visible. En revanche, une LED typique peut produire 15% de lumière visible et 85% de chaleur. Surtout avec les LED haute puissance, il est essentiel d'éliminer cette chaleur grâce à une gestion thermique efficace. Sans une bonne dissipation thermique, la température interne (de jonction) de la LED augmente, ce qui entraîne une modification des caractéristiques de la LED.

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Plus important encore, la température de jonction affecte la durée de vie de la LED. Contrairement aux autres sources de lumière, les DEL ne tendent pas à échouer de façon catastrophique (bien qu'un petit nombre le soit, en particulier si vous les cuisez); au lieu de cela, la sortie de la LED diminue avec le temps.

_{(emphase ajoutée)}

_{- T. Whitaker. "Fait ou fiction - Les LED ne produisent pas de chaleur". LEDs Magazine, mai 2005. http://www.ledsmagazine.com/articles/2005/05/fact-or-fiction-leds-don-t-produce-heat.html}

Une recherche sur Google Images du "dissipateur thermique à ampoule led" met en évidence un véritable zoo de conceptions de radiateur:

                 
          _{(Cliquez sur les images pour les versions plus grandes)}

Je soupçonne qu'il y a eu un certain retard dans la pénétration du marché en raison de la différence frappante de facteur de forme requise pour la gestion thermique.

Un autre aspect mineur, non technique, qui a contribué à un retard de quelques années concerne les problèmes de brevets liés à la production de LED bleue.

Nichia, où Nakamura travaillait, avait de nombreux brevets clés en GaN (nitrure de gallium), mais pas tous. D'autres, tels que Cree (brevets SiC) et Toyoda Gosei (autres brevets relatifs aux LED), avaient d'autres brevets essentiels nécessaires pour produire des LED bleues à volume élevé.

Les problèmes techniques avaient généralement été résolus à la fin des années 90, mais les gros lecteurs de diodes électroluminescentes ne produisaient aucune quantité de diodes bleues (en partie, la plupart?) À cause de problèmes de brevets.

À la fin de 2002, quelques contrats de brevets croisés clés étaient terminés et, en l'espace d'un à deux ans, le volume de LED bleues augmentait considérablement.

Cree et Nichia annoncent un accord de licence réciproque de brevet et le règlement d'un litige http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/2002/2002_111301.html

Nichia et Toyoda Gosei règlent un différend concernant les LED http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1178214

Ne négligez pas le simple fait du coût non plus.
Les ampoules à incandescence ordinaires peuvent être faites pour des sous, et vendues pour pas beaucoup plus.

C'est une question d'économie et d'inertie publique. La technologie existante est moins chère à produire en raison des investissements à long terme dans les infrastructures et la production de masse. Les nouvelles technologies doivent passer par des problèmes de financement, d’investissements initiaux, de construction d’infrastructures, de marketing, d’étapes précoces d’adoption anticipée, de contrats de distribution, etc. S'il n'y avait pas de législation américaine imposant un moyen pour les nouvelles technologies, la plupart resteraient à incandescence au lieu de la combinaison actuelle d'incandescent, CFL, en tête. Ce n'est pas une main capitaliste invisible naturelle des forces du marché libre , mais une adoption forcée.

Les avantages des leds viennent en second lieu pour la plupart des gens, qui sont léthargés dans l'adoption de la technologie, en particulier face aux coûts initiaux plus élevés. . La plupart des gens hésitent à utiliser une ampoule à DEL de 20 dollars, comparativement à une ampoule à incandescence de 3 $ à 3 $, même si l’ampoule à DEL dure plus de 20 ampoules à incandescence à la moitié du coût de fonctionnement. Ce n’est que maintenant que les ampoules individuelles sont à 5 ~ 10 dollars que les gens s’orientent vraiment dans cette direction.

Le problème était de créer une lumière blanche naturelle. La lumière du jour normale comporte un spectre de fréquences, mais les leds ne peuvent produire que sur certaines longueurs d'onde. Les ingénieurs ont donc inventé différents matériaux pour produire différentes longueurs d'onde. Ensuite, différentes leds sont mélangées afin que la lumière résultante soit à peu près blanche.

Tout d'abord, il y a environ 40 ans, ils ont inventé la LED rouge. Viennent ensuite progressivement le bleu / le vert / les autres couleurs suivant différentes évolutions technologiques. De plus, les premières diodes n'étaient pas très puissantes.

Il s’agissait donc de fabriquer des diodes émettant de la lumière blanche et de les rendre suffisamment puissantes pour être compétitives face aux ampoules électriques, apparues il ya seulement moins de 10 ans. Et les diodes blanches sont toujours très chères, mais leur coût est largement compensé par leur durabilité. Essayez de chercher le prix d'un seul phare Audi / BMW / complet et vous comprendrez.

Chaque application d'éclairage a ses propres exigences, qui sont généralement résolues depuis plus de cent ans. Les nouvelles solutions sont rarement supérieures en qualité et en coût dès le début. Un autre exemple non encore mentionné est le CRI (Index de rendu des couleurs).

Alors que les ampoules à incandescence ont une réponse spectrale semblable à celle d’un corps noir (nous avons donc le système de température de couleur), l’éclairage à DEL blanche n’en a pas.

Même ceux avec un «CRI ultra élevé» de près de 100, comme dans l'image ci-dessus (certains résultats de recherche d'images Google), ne produisent que superficiellement un flux lumineux similaire à celui des ampoules à incandescence ou du soleil.

Cela convient à de nombreuses applications, mais les difficultés de rendu de la couleur de la peau la rendent inadaptée non seulement à de nombreuses applications multimédias, mais donne également un air malade à votre salon.

En outre, d'autres domaines ont besoin d'un rendu des couleurs approprié, comme les vendeurs de matériel où la couleur est importante.

Tout cela pourrait être une petite partie, mais toutes les autres réponses mentionnaient d'autres points qui pourraient être eux aussi mineurs, mais qui au total donnent au marché une inertie suffisante, comme s'il n'y avait pas eu tous ces petits problèmes au début.

Reprenez la technologie de demain avec les minuscules DEL blanches SMPS et 99CRI bon marché jusqu'en 1997 et tout le monde basculera presque instantanément vers cette technologie.

Ils devaient également obtenir la tension et l'ampérage corrects passant par les DEL pour les faire durer presque à jamais et obtenir le blanc le plus brillant sur les DEL blanches, ce qui importait moins que sur les DEL rouge, verte, etc. Les ampoules à incandescence peuvent coûter quelques sous, mais depuis que les ampoules fluorescentes compactes Spiral sont apparues, elles étaient censées durer des années, mais en aucun cas, les ampoules à incandescence sont moins fréquentes là où vous les achetez et ont augmenté un peu ils utilisent des tensions plus basses, je vois que les ampoules CFL deviennent de moins en moins chères et construites pour ne pas durer aussi longtemps qu’elles le font maintenant, et que les ampoules à incandescence sont de plus en plus hautes.