אילו אתגרים טכניים מתמודדים עם נורות לד?

בגלל חסכון האנרגיה, העמידות ויכולת ההסתגלות שלהן, דיודות פולטות אור, או נוריות LED, שינו לחלוטין את התאורה. אבל יש מכשולים לקבלה הרחבה שלהם. ללדים יש מספר בעיות טכנולוגיות המשפיעות על השימוש, הביצועים והאמינות שלהן למרות היתרונות שלהן. מאמר זה בוחן את האתגרים הללו, בוחן את הסיבות, ההשלכות והפתרונות היצירתיים שלהם המקדמים את טכנולוגיית LED.

אתגר: נורות LED הופכות כמות נכבדת של אנרגיה לאור ולא לחום, בניגוד לנורות קונבנציונליות. הם אמנם מייצרים חום, אבל הוא ממוקד בצומת מוליכים למחצה זעירים. התחממות יתר פוגעת בציפוי הזרחן של ה-LED, משנה את פלט הצבע ומזרז את התמוטטות הרכיבים. אורך חיים קצר ב-50% יכול לנבוע מהפעלה בטמפרטורות גבוהות מ-85 מעלות.

תשובות:

גופי קירור: גופי קירור עשויים נחושת או אלומיניום משתמשים בהולכה לשחרור חום. מבנים עם פינים משמשים בעיצובים מתקדמים כדי לייעל את שטח הפנים.

העברת חום משבב ה-LED לגוף הקירור משופרת באמצעות דבקים או רפידות מוליכים תרמית, הידועים גם כחומרי ממשק תרמי (TIM).

קירור אקטיבי: יישומי-הספק גבוה, כגון תאורת רכב, משתמשים במערכות קירור נוזליות או מאווררים זעירים.

חדשנות חומרית: חוקרי MIT יוצרים מצעי יהלום GaN LED, בעלי מוליכות חום גבוהה ב-50% מנחושת.

בעיה: צניחת יעילות היא השם לתופעות שבהן יעילות LED, המתבטאת בלומנס לוואט, מגיעה לשיא בזרמים נמוכים ויורדת ככל שההספק עולה. ביישומי-הספק גבוה, כגון תאורת אצטדיון, הדבר מגביל את הבהירות. צניחת נובעת מרקומבינציה אוגר, שבה אלקטרונים מאבדים אנרגיה באמצעות התנגשויות, וזליגת אלקטרונים במבנה הבאר הקוונטית.

תשובות:

הנדסת באר קוונטית: ניתן למזער את דליפת האלקטרונים על ידי שינוי ההרכב והעובי של בארות קוונטיות. עיצובי באר קוונטיים מרובי- משמשים חברות כמו Cree.

מצעי GaN-על-GaN: על מנת להפחית את פגמי הסריג וצניחת, שכבות GaN גדלות על מצעי GaN מקוריים ולא על ספיר.

GaN לא קוטבי: מחקרים על כיווני גבישים לא קוטביים מגלים כי יישור טוב יותר של שדות חשמליים מפחית את הצניחה ב-30%.

בעיה: שגיאות ייצור, הידרדרות זרחן או מתח חום עלולים לגרום לשינויי צבע בנורות LED. טמפרטורת צבע בקורלציה (CCT) ואינדקס עיבוד צבע לא עקבי (CRI) הם בעיות במקומות כמו בתי חולים ומוזיאונים.

תשובות:

אופטימיזציה של זרחן: על ידי הגברת נאמנות הספקטרום האדום, זרחנים אדומים צרים בפס- (כגון KSF:Mn⁴⁺) מעלים CRI.

מערכות משוב: על מנת לשנות פלט בזמן אמת, חכםנוריותלהשתמש בחיישנים. מיקרו-בקרים משמשים את Philips Hue כדי לשמור על דיוק הצבע.

LEDs Quantum Dot (QLEDs): עם יכולתה לווסת במדויק את אורך הגל, נקודות קוונטיות יכולות להשיג CRIs גבוה מ-95.

אתגר: על מנת להמיר AC ל-DC ולשלוט במתח, נורות LED זקוקות לדרייברים של זרם קבוע-. מנהלי התקנים עם עיצוב לקוי עלולים להבהב, לעשות רעש או להיכשל מוקדם מדי. מנהלי התקנים עלולים לסבול נזקים מקוצים במתח ברשת החשמל, כמו נחשולי מתח.

תשובות:

שבבי תיקון גורם כוח (PFC) משפרים את היעילות ומייצבים את הזרם במעגלי PFC פעילים.

וריסטורי תחמוצת מתכת-(MOV) מספקים הגנה מפני נחשולי מתח על ידי ספיגת קוצים במתח במתקנים תעשייתיים וחיצוניים.

הפחתת הבהוב: דרייברים הכוללים מעגלי ביטול אדוות ממזערים את ההבהוב לפחות מ-1%, דבר חיוני להגדרות עדינות ולהקלטת וידאו.

בעיה: עם הזמן, רכיבי LED מתקלקלים. חיבורי הלחמה נשברים בגלל מחזורי טמפרטורה, וציפויי זרחן הופכים צהובים כאשר הם נחשפיםאור UV. קשה לחזות אורך חיים, אשר לרוב מדורג ב-L70/B50-70% תחזוקת לומן עבור 50% מהיחידות.

תשובות:

בדיקות מואצות: תוחלת החיים מובאת מבדיקות מאמץ- גבוהות תוך שימוש בתקני TM-21 ו-TM-28.

עטיפה חזקה: בהשוואה לאפוקסי קונבנציונלי, חומרי עטיפה מבוססי סיליקון עמידים יותר להצהבה.

מודלים של השפלה: Rensselaer Polytechnic Institute ואוניברסיטאות אחרות משתמשות במודלים מונעי בינה מלאכותית- כדי לחזות מצבי כשל בהתבסס על נתונים בפועל.

בעיה: לחות, תנודות טמפרטורה וחשיפה כימית יכולים כולם להזיק לנוריות. בעוד שחוסר איזון בהתפשטות תרמית גורם לדה למינציה, חדירת לחות פוגעת בחיבורים.

תשובות:

דירוגי IP: נוריות LED חיצוניותפנסי רחובמוגנים על ידי מארזים עמידים למים (כגון IP67).

ציפויים קונפורמיים: PCB מוגנים מתנאים קורוזיביים על ידי ציפוי אורטן או אקרילי.

אריזה הרמטית: כדי לשרוד בסביבות קשות, נורות לד בדרגה צבאית-ארוזות בקרמיקה.

בעיה: נוריות LED כחולות בעוצמה גבוהה (450-490 ננומטר) עלולות לגרום לנזק לרשתית ולהפריע למחזוריות היממה. חשיפת יתר לאור כחול-לבן עשיר בלילה נמנעת על ידי האיגוד הרפואי האמריקאי.

תשובות:

כוונון מחזורי-: בלילות, נוריות LED מתכווננות מתאימות את ה-CCT לגוונים חמים יותר (2700K).

תערובות זרחן: ניתן להשתמש בזרחנים אדומים כדי להפחית פליטת כחול מבלי לפגוע בביצועים.

מסננים ומפזרים: בבתים ובבתי חולים, ציפוי עדשות מגביל את אורכי הגל הכחולים.

אתגר: למרות שהעלות של נוריות LED ירדה, גופי-איכות גבוהה עדיין יקרים בגלל זרחנים- נדירים של אדמה ומצעים יקרים כמו ספיר. שיעורי התשואה בייצור GaN הם כ-80%.

תשובות:

טכניקות קנה מידה-: העלויות מופחתות ב-20% על ידי שימוש בפרוסות ספיר גדולות יותר (8 אינץ' לעומת. 4-אינץ').

מיחזור זרחן: מנורות לד נטושות, עסקים כמו מיחזור פלורסנט לחלץ cerium ו- europium.

חומרים חלופיים: על ידי שימוש בייצור מבוסס-פתרונות, נוריות perovskite מספקות מחירים מוזלים.

אתגר: ישנן בעיות התפעול- ספציפיות לפלטפורמה עם נוריות LED חכמות (למשל, Zigbee לעומת Wi-Fi). אתגרים נוספים עם מערכות אלחוטיות הם חביון וצריכת חשמל.

תשובות:

תקנים מאוחדים: יכולת פעולה הדדית בין-מותגים מתאפשרת על ידי פרוטוקול Matter.

קצירת אנרגיה: חיישנים הפועלים בכוח שלהם מפחיתים את הצורך בסוללות.

מחשוב קצה: רכזות כגון Samsung SmartThings מפחיתות את זמן ההשהיה באמצעות עיבוד מקומי.

בעיה: קשה להיפטר מנורות LED מכיוון שהן כוללות יסודות אדמה נדירים ומתכות כבדות כמו עופרת. בגלל תשתית לא מספקת, פחות מ-10% מהנוריות ממוחזרים.

תשובות:

עיצוב מודולרי: החלפת רכיבים קלה יותר על ידי נוריות ה-LED הניתנות לתיקון של Fairphone.

חומרים מבוססי-ביו: חוקרי אוניברסיטת סן דייגו משתמשים באצות כדי ליצור זרחנים מתכלים.

-תוכניות פסולת: תקנות גלובליות מושפעות מהנחיות האיחוד האירופי המחייבות מיחזור- במימון היצרן.

למרות שהקשיים הטכנולוגיים שעמם מתמודדים נוריות הם מגוונים כמו השימושים שלהם, כל אחד מהם מעודד יצירתיות. הדור הבא של התאורה-מתאפשרת הודות להתפתחויות במדעי החומרים, האלקטרוניקה וקיימות, כולל פרוסקיטים-מתרפאים בעצמם וגופי קירור יהלומים. נוריות הלד ימשיכו לחולל מהפכה בתאורה כאשר התעשייה מתמודדת עם סוגיות של חום, יעילות ואיכות הסביבה, ומוכיחה שאפילו הטכנולוגיות המתקדמות ביותר צריכות להתקדם על מנת להצליח בשיאן.