Cosa può migliorare l' efficienza della luce bianca a LED?
doc-9177
Tra le sfide da affrontare per migliorare l' efficienza delle sorgenti di luce bianca basate su LED vi è lo sviluppo di fosfori più efficienti. A partire dal 2010, il fosforo giallo più efficiente è ancora il fosforo YAG, con meno del 10% di perdita di turni Stoke. Le perdite dovute a perdite ottiche interne dovute al riassorbimento nel chip LED e nell' imballaggio del LED stesso rappresentano in genere un ulteriore 10% - 30% della perdita di efficienza. Attualmente, nell' area dello sviluppo dei LED al fosforo, ci si sta impegnando molto per ottimizzare questi dispositivi per ottenere una maggiore resa luminosa e temperature di funzionamento più elevate. Ad esempio, l' efficienza può essere aumentata adattando una migliore progettazione delle confezioni o utilizzando un tipo di fosforo più adatto. Il processo di rivestimento conforme è spesso utilizzato per affrontare il problema del diverso spessore del fosforo.
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doc-9173
La luce bianca può essere formata mescolando luci di diverso colore; il metodo più comune è quello di usare rosso, verde e blu (RGB). Quindi il metodo è chiamato LED bianchi multicolori (talvolta denominati LED RGB). Poiché questi hanno bisogno di circuiti elettronici per controllare la miscelazione e la diffusione di colori diversi, e poiché i singoli LED a colori hanno tipicamente schemi di emissione leggermente diversi (che portano a variazioni di colore a seconda della direzione) anche se sono realizzati come un' unica unità, questi sono raramente utilizzati per produrre illuminazione bianca. Tuttavia, questo metodo ha molte applicazioni a causa della flessibilità di miscelazione di colori diversi, e in linea di principio, questo meccanismo ha anche una maggiore efficienza quantistica nella produzione di luce bianca.
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doc-9176
Le perdite di efficienza dei LED basate sul fosforo sono dovute alle perdite di calore dovute allo spostamento degli Stokes e ad altri problemi di degradazione legati al fosforo. La loro efficacia luminosa rispetto ai LED normali dipende dalla distribuzione spettrale della luce risultante e dalla lunghezza d' onda originale del LED stesso. Ad esempio, l' efficacia luminosa di un tipico LED bianco a base di fosforo giallo YAG varia da 3 a 5 volte l' efficacia luminosa del LED blu originale a causa della maggiore sensibilità dell' occhio umano al giallo che al blu (come modellato nella funzione di luminosità). Grazie alla semplicità di fabbricazione, il metodo al fosforo è ancora il metodo più popolare per produrre LED bianchi ad alta intensità. La progettazione e la produzione di una sorgente luminosa o di un apparecchio di illuminazione che utilizza un emettitore monocromatico con conversione del fosforo è più semplice e meno costosa di un complesso sistema RGB, e la maggior parte dei LED bianchi ad alta intensità attualmente presenti sul mercato sono fabbricati con conversione della luce fosforosa.
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doc-7848
Ci sono molte sorgenti luminose non incandescenti, come la lampada fluorescente, lampade a scarica ad alta intensità e lampade a LED, che hanno una maggiore efficienza luminosa, e alcuni sono stati progettati per essere retrofitted in apparecchi per lampade ad incandescenza. Questi dispositivi producono luce per luminescenza. Queste lampade producono linee spettrali discrete e non hanno l' ampia "coda" di emissioni infrarosse invisibili. Selezionando accuratamente quali transizioni di livello di energia elettronica sono utilizzate, e rivestimenti fluorescenti che modificano la distribuzione spettrale, lo spettro emesso può essere sintonizzato per imitare l' aspetto delle sorgenti incandescenti, o altre diverse temperature di colore della luce bianca. A causa delle linee spettrali discrete piuttosto che di uno spettro continuo, la luce non è ideale per applicazioni come la fotografia e la cinematografia.
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doc-9178
I LED bianchi possono essere realizzati anche con il rivestimento di LED vicino all' ultravioletto (NUV) con una miscela di fosfori a base di europio ad alta efficienza che emettono rosso e blu, più rame e zinco solfuro (ZnS: Cu, Al) color alluminio che emette verde. Questo è un metodo analogo al funzionamento delle lampade fluorescenti. Questo metodo è meno efficiente rispetto ai LED blu con YAG: Ce fosforo, in quanto lo spostamento Stokes è più grande, quindi più energia viene convertita in calore, ma produce luce con migliori caratteristiche spettrali, che rendono il colore migliore. Grazie alla maggiore emissione radiativa dei LED ultravioletti rispetto a quelli blu, entrambi i metodi offrono una luminosità paragonabile. Si teme che la luce UV possa fuoriuscire da una sorgente luminosa difettosa e causare danni agli occhi o alla pelle umana.
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doc-9171
Alla fine degli anni' 90, i LED blu sono diventati ampiamente disponibili. Hanno una regione attiva costituita da uno o più pozzi InGaN quantum inseriti tra strati più spessi di GaN, detti strati di rivestimento. Variando la frazione In/Ga relativa nei pozzetti quantistici InGaN, l' emissione luminosa può in teoria variare da viola a ambra. Il nitruro di gallio all' alluminio (AlGaN) di varia frazione di Al/Ga può essere utilizzato per la produzione di rivestimenti e strati quantici per LED ultravioletti, ma questi dispositivi non hanno ancora raggiunto il livello di efficienza e maturità tecnologica dei dispositivi InGaN/GaN blu/verde. Se in questo caso viene utilizzato GaN non legato per formare gli strati attivi del pozzo quantistico, il dispositivo emetterà luce ultravioletta con una lunghezza d' onda di picco centrata intorno ai 365 nm. I LED verdi prodotti dal sistema InGaN/GaN sono molto più efficienti e luminosi rispetto ai LED verdi prodotti con sistemi di materiali non al nitruro, ma i dispositivi pratici mostrano ancora un' efficienza troppo bassa per le applicazioni ad alta luminosità.
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doc-9166
Il sintomo più comune di guasto LED (e laser a diodi) è il graduale abbassamento dell' emissione luminosa e la perdita di efficienza. Anche i guasti improvvisi, sebbene rari, possono verificarsi. I primi LED rossi erano notevoli per la loro breve durata. Con lo sviluppo di LED ad alta potenza i dispositivi sono sottoposti a temperature di giunzione e densità di corrente più elevate rispetto ai dispositivi tradizionali. Ciò provoca stress sul materiale e può causare una precoce degradazione dell' uscita della luce. Per classificare quantitativamente la vita utile in modo standardizzato è stato suggerito di utilizzare L70 o L50, che sono i tempi di funzionamento (tipicamente dati in migliaia di ore) in cui un determinato LED raggiunge rispettivamente il 70% e il 50% della potenza luminosa iniziale.
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doc-9174
Ci sono diversi tipi di LED bianchi multicolori: LED bianchi di-, tri- e tetracromatici. Diversi fattori chiave che giocano tra questi diversi metodi includono la stabilità del colore, la capacità di resa cromatica e l' efficacia luminosa. Spesso, una maggiore efficienza significherà una resa cromatica inferiore, presentando un compromesso tra l' efficacia luminosa e la resa cromatica. Ad esempio, i LED bianchi dicromatici hanno la migliore efficacia luminosa (120 lm/W), ma la più bassa capacità di resa cromatica. Tuttavia, sebbene i LED bianchi tetracromatici abbiano un' eccellente resa cromatica, spesso hanno scarsa efficacia luminosa. I LED Trichromatic white white sono in mezzo, avendo sia una buona efficacia luminosa (>70 lm/W) che una discreta capacità di resa cromatica.
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doc-9175
Questo metodo prevede il rivestimento di LED di un unico colore (principalmente LED blu in InGaN) con fosfori di diversi colori per formare luce bianca; i LED risultanti sono chiamati LED a base di fosforo o LED bianchi convertiti in fosforo (pcLEDs). Una frazione della luce blu subisce lo spostamento Stokes trasformandosi da lunghezze d' onda più corte a lunghezze d' onda più lunghe. A seconda del colore del LED originale, è possibile utilizzare fosfori di colori diversi. Se vengono applicati diversi strati di fosforo di colori distinti, lo spettro emesso viene ampliato, aumentando di fatto il valore dell' indice di resa cromatica (CRI) di un determinato LED.
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doc-9180
I punti quantistici (QD) sono nanocristalli semiconduttori che possiedono proprietà ottiche uniche. Il loro colore di emissione può essere sintonizzato dal visibile in tutto lo spettro infrarosso. Questo permette ai dot LED quantistici di creare quasi tutti i colori sul diagramma CIE. Ciò fornisce più opzioni di colore e una resa cromatica migliore rispetto ai LED bianchi, poiché lo spettro di emissione è molto più ristretto, caratteristica degli stati di confinamento quantistico. Ci sono due tipi di schemi per l' eccitazione QD. Si utilizza l' eccitazione foto con una fonte di luce primaria LED (tipicamente blu o LED UV sono utilizzati). L' altro è l' eccitazione elettrica diretta prima dimostrata da Alivisatos et al.
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doc-9165
Nel settembre 2003, un nuovo tipo di LED blu è stato dimostrato da Cree che consuma 24 mW a 20 milliamperes (mA). Ne è derivata una luce bianca commercialmente confezionata che produce 65 lm/W a 20 mA, diventando il LED bianco più luminoso disponibile in commercio all' epoca e oltre quattro volte più efficiente degli incandescenti standard. Nel 2006 hanno presentato un prototipo con un' efficacia luminosa LED bianco record di 131 lm/W a 20 mA. Nichia Corporation ha sviluppato un LED bianco con un' efficacia luminosa di 150 lm/W ad una corrente di 20 mA. I LED XLamp XM-L di Cree, disponibili in commercio nel 2011, producono 100 lm/W con una potenza massima di 10 W e fino a 160 lm/W con una potenza in ingresso di circa 2 W. Nel 2012, Cree ha annunciato un LED bianco con 254 lm/W e 303 lm/W nel marzo 2014. L' illuminazione generale pratica richiede LED ad alta potenza, da un watt o più. Le correnti d' esercizio tipiche di tali dispositivi iniziano a 350 mA.
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