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

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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?

PDuarte
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vidéo quelque peu apparentée: Les premières diodes électroluminescentes. Cela a démontré à quel point l'efficacité des premiers LED était faible.
Nick Alexeev
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Selon certaines perceptions, il s’agit d’une nouvelle technologie ... Je suppose que vous n’avez jamais eu l’impression de "oh waouh, cette nouvelle couleur de LED est sur le marché à présent,
allons-y
@ Plasmahh exactement. Et ce coût élevé à son tour signifie que le fabricant ne peut pas produire en masse et réduire les prix. Catch 22 de la nouvelle économie de la technologie.
Passé le
L’industrie d’Asmyldof avait l'habitude d'installer des LED dans l'éclairage avant les LED bleues des années 90. Mais cela devient fatigant après un certain temps de devoir souder 300 LED jaunes dans une veilleuse de nuit, de sorte qu'un seul paquet a déjà été produit et qu'un seul a survécu à ce jour. ;-)
Asmyldof

Réponses:

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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.

Dave Tweed
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Cela explique le blanc, mais qu'en est-il des feux de signalisation, par exemple? Ils n’ont commencé à allumer de LED rouge / jaune / verte qu’au début des années 2000, du moins dans les villes du nord-est des États-Unis. Est-ce qu'ils utilisent le bleu dans ceux-là aussi?
Jason C
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@JasonC: Les voyants rouge vif, orange et vert existent depuis un moment. Cependant, je ne pense pas qu'il y avait beaucoup de motivation pour créer des ampoules de circulation à partir d'eux au début. D'une part, il existe un inconvénient sérieux: ils ne chauffent pas assez pour se déblayer de la neige! Je suppose que ce n’est que depuis une dizaine d’années environ que les économies d’échelle générées par la fabrication de lampes pour d’autres applications ont également rendu économique la production d’ampoules de feux de signalisation.
Dave Tweed
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Notez que la LED bleue haute luminosité était une percée suffisamment importante pour que Nakamura, avec deux de ses collaborateurs (Akasaki et Amano), remporte le prix Nobel de physique 2014.
Michael Seifert
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Incidemment, vous pouvez utiliser ce fait pour dater instantanément des œuvres de science-fiction à la télévision ou au cinéma. Par exemple, dans Star Trek, TNG, chaque fois qu'ils ouvrent le crâne de Data pour afficher son réseau positronique, il contient de nombreuses DEL clignotantes - toutes rouges, jaunes ou vertes, car c'est ce que les concepteurs d'accessoires avaient à leur disposition et à un prix abordable à l'époque. .
Darrel Hoffman
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J'ai travaillé dans un magasin d'électronique de détail (de petite taille, sans chaîne) juste après que des DEL bleues à haute luminosité soient devenues disponibles (environ 2000). Rouge / vert / jaune ont été vendus en vrac au centime, alors qu’une seule DEL bleue très brillante a été vendue sous blister au prix de 10 $ PDSF.
SevenSidedDie
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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.

pjc50
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L'émission de LED est beaucoup plus large, spectralement, qu'un laser. Les lasers sont extrêmement monochromatiques car ils fournissent un mécanisme de rétroaction (émission stimulée) qui concentre l'amplification optique dans une bande de longueur d'onde extrêmement étroite. Les LED, par contre, produisent une émission spectrale assez large par comparaison. Il n'y a pas d'effets de cohérence avec une LED, par exemple (chatoiement, interférence, etc.)
J ...
@J ...: There are no coherency effects with an LED- il n'y a pas d'effets de cohérence avec certaines LED. Il y en a avec d'autres. Plus précisément, il y a des effets de cohérence dans les LED dites laser (il y a une question sur la physique.se si de tels lasers devraient être appelés "lasers" puisque la lumière cohérente est créée sans l'aide d'une émission stimulée)
slebetman
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@slebetman Les diodes laser sont toujours des lasers et utilisent certainement une émission stimulée.
J ...
Beaucoup d'ampoules à LED (peut-être la majorité, en particulier pour les moins chères) utilisent un compte-gouttes capacitif simple, pas un mode de commutation.
grahamparks
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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.

...

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:

         Dissipateurs 1    Dissipateurs 2    Dissipateurs 3
          (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.

hBy2Py
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Plusieurs personnes ont déjà mentionné des améliorations de l'efficacité, ce qui revient à générer moins de chaleur par lumière. Notez également que le premier article date de 2005, il y a très longtemps, compte tenu de la vitesse à laquelle les DEL évoluent.
Nick Alexeev
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@ NickAlexeev Les utilisations que je vois d' efficacité dans toutes les réponses jusqu'à présent sont des utilisations uniques du mot ou des phrases courtes. Je suis une ChemE, pas EE, alors peut-être que mon intuition est un peu perverse pour EE.SE, mais quand je les lis, j'entends dire qu'ils coûtent trop cher parce qu'ils consomment trop d'électricité , ils ne génèrent pas tellement de chaleur qu'ils s'endommagent . Je sentais que des détails supplémentaires sur les considérations pratiques de la gestion de la chaleur étaient justifiés. Désolé, j'ai coincé mon pouce dans tes yeux.
hBy2Py
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@Brian Les ampoules à incandescence produisent plus de chaleur que les LED. Mais ils sont également plus tolérants à la chaleur, car ils ne possèdent pas d'électronique. Les LED produisent moins de chaleur que les ampoules à incandescence. Mais ils sont également moins tolérants à la température, car ils ont des appareils électroniques à bord. Alors, quoi encore, disons 3W de chaleur perdue entre amis? Eh bien, une facture d’électricité d’une valeur de 3 W n’est pas un gros problème (nous venons tout juste d’économiser 70 W par rapport à une lampe à incandescence). D'autre part, le rejet de 3W supplémentaires est un problème, car la dissipation thermique supplémentaire augmente les coûts.
Nick Alexeev
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@DanNeely Ce sont des choses séparées, cependant. Mis à part "les DEL sont froides au toucher, car elles ne produisent généralement pas de chaleur sous forme de rayonnement infrarouge (IR)", ce qui est faux car les DEL sont froides car elles consomment beaucoup moins d'énergie par lumière, selon la description de la citation. est tout à fait exact. Le rayonnement infrarouge n'est pas de la chaleur. La plupart des matériaux absorbent très facilement les rayons infrarouges, en les convertissant en chaleur là où ils se produisent, mais les rayons infrarouges traversent les gaz et le vide à la vitesse de la lumière alors que la chaleur ne le peut pas. Ainsi, dans les ampoules électriques, 1W de chaleur est plus localisé que 1W d’IR.
hBy2Py
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Techniquement, les ampoules électriques ne sont que des résistances qui ne peuvent produire que de la chaleur. Cette chaleur se transforme en IR et en lumière via le rayonnement du corps noir . Ainsi, une ampoule produit 100% de chaleur qui est dissipée différemment: 88% par rayonnement et 12% par transfert de chaleur.
Dmitry Grigoryev
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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

Jake Peters
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C'est la raison pour laquelle le système des brevets est vicié
Passerby le
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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.

R Drast
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Fabriquer une ampoule à incandescence n’est cependant pas anodin - un fil de tungstène délicatement enroulé (matériau délicat à travailler) doit être suspendu avec précaution dans une ampoule bien scellée ... c’est bien sûr la production de masse qui a fait baisser les prix , mais les DEL simples à faible puissance sont depuis longtemps moins chères que les ampoules à incandescence.
gauche du
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Les LED simples à faible puissance étaient peut-être moins chères que les ampoules à incandescence, mais il faudrait beaucoup de ces LED 20 mA pour éclairer une pièce. L'apparition progressive des lampes à LED dans de nombreux pays au cours des 10 dernières années a largement contribué à l'apparition de lampes à LED utilisables , ce qui a empêché les LED d'être en concurrence avec le statu quo précédent et peu coûteux.
Guntram Blohm
Si vous tenez compte du coût de l’électricité, les lampes LED sont moins chères que les ampoules à incandescence. Une LED de 10 W produit la même quantité de lumière qu'une ampoule de 60 W. C'est une économie d'énergie de 50 kWh par 1000 heures. Là où j’habite (en Suède), c’est 10 $ de réduction sur mes factures d’électricité par 1 000 heures de temps de combustion, et les LED durent généralement plusieurs milliers d’heures.
Klas Lindbäck
Bien que je convienne que le coût d’exploitation finit par être rentabilisé, la question était de savoir pourquoi les ampoules à LED d’intensité et de couleur utilisables ont mis si longtemps à apparaître. À la maison, je change de fournisseur alors que tout s'épuise, mais les ampoules à incandescence coûtent environ un dollar par paquet de 2, où les LED de qualité décente commencent à environ 10 $ chacune.
R Drast
1
Il y a aussi la mentalité du grand public et les problèmes de loi: les producteurs de lampes fluorescentes ont fait campagne et adopté des lois contre les ampoules à incandescence. Cela a créé le vide qui a été rempli par des leds (au lieu de fluorescent).
Agent_L
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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.

Passant
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"C’est une question d’économie et d’inertie publique" Il s’agit aussi de LED (et en particulier de LED blanches) n’étant pas aussi ancienne qu’une technologie comme le suppose la question.
David Richerby le
@davidricherby et la technologie incandescente ont précédé Edison de plusieurs années, mais son employé a créé une version longue durée peu coûteuse qu’il a très bien commercialisée. La date de création n'est pas si importante.
Passé le
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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.

thorb3n
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2
En réalité, les LED blanches utilisent un ultraviolet ou plus généralement aujourd'hui une LED bleue pour stimuler une couche de phosphore qui émet de la lumière blanche. Il est vrai que lorsque vous voyez un grand panneau d'affichage pour la vidéo, il utilise plusieurs voyants de couleurs primaires et que l'œil humain peut voir les voyants fusionnés.
Craig K
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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.

MaximGi
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4
Les LED bleues sont arrivées très tard. Au début, c'était rouge. Puis vert. Puis les jaunes et les oranges. Nous avons dû attendre des années avant de trouver le bleu, et les premiers étaient cossus et peu efficaces.
Simon B
1
@SimonB Un livre relatant le processus de développement pourrait s'appeler Band Gaps on the Rack . :-)
hBy2Py
Les phares des véhicules en sont un mauvais exemple. leurs prix élevés sont dus à d'autres facteurs, LED ou non. Les émetteurs à LED blanches haute puissance montés sur une étoile ne coûtent pas très cher; ils peuvent être consommés en petites quantités pour moins de 5 $ chacun. Des lampes de poche sont disponibles avec ces émetteurs pour aussi peu que 10-20 $.
Taudris
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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.

entrez la description de l'image ici

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.

PlasmaHH
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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.

Jim
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Je ne suis pas le vote négatif, mais cette réponse est incohérente et fait un certain nombre d'affirmations incorrectes et non prises en charge. Je vous suggère de réviser ou de retirer cette réponse.
DrFriedParts
La conversion de puissance efficace et peu coûteuse est en effet un problème que de nombreuses "ampoules" ne résolvent toujours pas très bien, mais votre réponse n’est pas très bien écrite.
Supercat
Je ne suis pas non plus le votant. Mais "ampérage" est un mot utilisé à la télévision, pas sur un forum EE. Utilisez "courant" à la place :)
Reversed Engineer
En outre, la tension ne passe pas par une LED. Je comprends pourquoi votre vote a été négatif, mais pas moi
Reversed Engineer