Вред светодиодных ламп для зрения и здоровья человека. Выбор светодиодных ламп. Спектры источников света Спектр свечения светодиодных ламп

LED (Lighting Emission Diode) - светодиоды с интенсивным светоизлучением хорошо всем известны. Примерно 10 лет назад (у нас в России) они произвели «тихую революцию в освещении», особенно там, где нужна мобильность, низкий удельный расход энергии, надежность и долгий срок службы. Казалось, что идеальный источник света, который жаждали получить, вело и просто туристы, а также охотники и рыболовы, спелеологи и альпинисты уже «здесь и сейчас». И достаточно протянуть руку, поднакопив чуток убитых енотов, и будет «на земли мир, в человецех благоволение». Теперь, можно сказать, что эти 10 лет не прошли даром и, светодиодная действительность оказалось интересна, разнообразна и предоставляет новые возможности, которые, ранее даже не приходили в голову.

Рис. 2 Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.* («Описание и принцип работы светодиодных светильников» Группа Энергосберегающих Компаний)

Рис. 3 Синий светодиод с монохроматическим излучением. . («LED - технология, принцип работы. Плюсы и минусы LED. » ).

ПРИНЦИП РАБОТЫ .

Светодиод, - прежде всего диод. То есть этакий хитрый камешек с p-n-переходом внутри. А другими словами, контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Который, при некоторых условиях, излучает свет в процессе рекомбинации (взаимного конструктивного самоубийства) электронов и дырок.
Обычно, чем больше ток через светодиод, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени и на выходе излучается больше света. Но ток нельзя сильно увеличивать, - из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода светодиод может перегреваться, что приводит к его ускоренному старению или выходу из строя.
Для получения значимого светового потока, создают многослойные полупроводниковые структуры - гетероструктуры. За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алферов , российский физик, получил Нобелевскую премию в 2000 году.

ДВА СЛОВА ЗА ИСТОРИЮ.

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены в 1962 году. В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах и системах сигнализации. В 1993 году в компании Nichia (Япония) создали первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зеленый цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем, технология быстро развивалась и к 2005 году световой выход светодиодов достиг значения более 100 лм/Вт.

БЕЛЫЙ СВЕТ.

Обычный цветной светодиод излучает в узком спектре световых волн (монохроматическое излучение). Это хорошо для устройств сигнализации. А для освещения нужны белые светодиоды и применяют разные технологии..
Например, — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

Рис. 4 Спектр излучения RGB светодиода . («Википедия»)

Или, положим, используется люминофор, точнее, несколько люминофоров наносятся на светодиод и, в результате смешения цветов получается белый или близкий к белому свет. Белые светодиоды с люминофорами дешевле, чем RGB матрицы, что позволило использовать их для освещения.

Рис. 5 Спектр излучения белого светодиода с люминофором.* («Википедия»)

Рис. 6 Белый светодиод с люминофором. Схема одной из конструкций белого светодиода.

МРСВ - печатная плата с высокой тепловой проводимостью. * («Википедия»)

Вольтамперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейная и ток начинает проходить, с некоторого порогового напряжения. На основных режимах излучения светодиода ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. А поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэ-тому ток приходится стабилизировать. Яркость свечения светодиодов можно, например, регулировать методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходимо электронное устройство, подающее на светодиод импульсные высокочастотные сигналы. В отличие от ламп накаливания цветовая температура при регулировании яркости у светодиодов изменяется очень мало.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов.

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и потери поэтому относительно малы..

1. Основное преимущество белых светодиодов — высокий КПД, низкое удельное энергопотребление и высокая световая отдача - 160-170 Люмен/Ватт.
2. Высокая надежность и длительный срок службы.
3. Малый вес и размеры светодиодов позволяют ипользовать их в малогабаритных переносных фонарях.
4. Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре позволяет использовать светодиодное освещение без вредных последствий, так как ультрафиолет, особенно в присутствии озона, сильно влияет на органику, а инфракрасное излучение может привести к ожогам.
5. Показатель удельной плотности мощности, характеризующий плотность светового потока, у стандартной люминесцентной лампы составляет 0,1-0,2 Вт/см², а у современного белого светодиода около 50 Вт/см².
6. Работа при отрицательных температурах без снижения, а зачастую и с улучшением параметров.
7. Светодиоды — безынерционные источники света, они не требуют времени на прогрев или выключение, как например люминесцентные лампы и количество циклов включения и выключения не оказывает влияния на их надежность.
8. Светодиод механически прочен и исключительно надежен.
9. Легкость регулирования яркости.
10. Светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
11. Низкая пожароопасность, возможность использования в условиях взрывоопасности.
12. Влагостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред.

Но есть и мелкие недостатки:

1. Белые светодиоды в производстве дороже и сложнее ламп накаливания, хотя цена их постепенно снижается.
2. Невысокое качество цветопередачи, которое, то же, понемногу улучшается.
3. Мощные светодиоды требуют хорошей системы охлаждения.
4. Быстрое ухудшение характеристик и даже выход из строя при повышенных температурах внешней среды более 60 — 80°C.
5. Люминофоры также не любят высокой температуры, т.к. коэффициент преобразования и спектральные характеристики люминофора ухудшаются.
6. Корпус светодиода делают из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, которая стареет и под воздействием температуры тускнет и желтеет, поглощая часть светового потока.
7. Современный, мощный, сверхяркий светодиод может ослепить и повредить зрение человека.
8. Контакты подвержены коррозионным отказам. Светоотражатели (обычно из пластмассы, покрытые тонким слоем алюминия), при повышенной температуре, ухудшают свои свойства со временем, а яркость и качество излучаемого света постепенно ухудшаются.

РЕАЛЬНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ БЕЛЫХ СВЕТОДИОДОВ.

Рис. 7 Снижение светоотдачи в процессе эксплуатации и поведение при выходе из строя ламп накаливания (INC), флуоресцентных ламп (FL), высокоинтенсивных газоразрядных ламп (HID) и LED-ламп (масштаб не соблюден, приведен вид типовых кривых).

Журнал «Время электроники», Статья «Определение срока службы светодиодов»
Автор Эрик Ричман (Eric Richman ), старший научный сотрудник, Pacific Northwest National Laboratories (PNNL )

Про100 000 часов службы светодиодов мы знаем уже много лет. А как на самом деле?
«На заре светодиодов, наиболее часто встречаемая долговечность работы составляла 100000 часов. При этом никто так и не смог объяснить, откуда взялось это магическое число. Скорее всего, оно было продиктовано рынком, а не наукой. Первым производителем светодиодов, указавшим продолжительность эксплуатации, исходя из реальных технических параметров, стала Филипс Люмиледс, со своим детищем- светодиодом Luxeon. Долговечность первых устройств Luxeon, с заданным управляющим током 350 мА и температурой перехода 90 градусов цельсия, оценивалась в 50000 часов. Это значит, что после 50000 часов эксплуатации светодиода в заданных условиях его световой поток снизится до 70% от первоначальной.»
Статья «Неизведанные воды: определение долговечности LED светильников», Журнал «Время электроники», Тимур Набиев.

В настоящее время нет никакого стандарта определяющего для светодиодов, что такое собственно «срок службы». Нет также стандартов, определяющих количественно изменение цвета светодиода со временем. Не определено, как должен работать светодиод по истечении этого срока. Некоторые ведущие компании были вынуждены самостоятельно определять критерии для срока службы. Например, было выбрано два пороговых значения светового потока: - 30% и 50%, по достижению которых светодиод считается вышедшим из строя. И зависят эти значения от восприятия человеческим глазом излучаемого света.
1) - 30% уменьшение светового потока отраженного светодиодного света. То есть, когда светодиодный фонарь освещает дорогу, окружающие предметы и т.п.
2) - 50% уменьшение светового потока, когда используется прямой свет, например в светофорах, дорожных знаках, габаритных огнях автомобилей....
А другие компании первого ряда выбирают только одно пороговое значение - 50%.
Причем, деградация светодиодов и светодиодных фонарей происходит на всех уровня, начиная с p-n перехода и заканчивая прозрачной передней пластмассовой линзой корпуса фонаря. Причем, маломощные сигнальные и индикаторные светодиоды могут служить десятилетиями. А сверхяркие современные светодиоды, которые часто работают в напряженном режиме, как по току, так и по температуре и гораздо быстрее теряют свою яркость. Таким образом, реальный срок службы качественных современных светодиодов от нескольких месяцев до пяти - шести лет в непрерывном режиме работы. Например, фирма Petzl заявляет срок службы своих светодиодов в фонарях не менее 5000 часов. Кстати, ведущие фирмы нередко заявляют меньший срок службы своих устройств, чем у «супер-пупер-бюджетных», нередко азиатских производителей, которые просто форсируют величину тока и добиваются яркого свечения. При покупке фонарей, все характеристики светодиодов соответствуют паспортным, в котором, обязательно пишут про магические 100000 часов. Но реальный срок службы таких светодиодов может не превысить 1000…1500 часов и за это время световой поток снижается минимум в 2 раза.

БАТАРЕЙКИ И АККУМУЛЯТОРЫ.

Во время работы, батареи и аккумуляторы разряжаются, питающее напряжение уменьшается, яркость светодиодов и эффективный световой поток постепенно снижается.

Кривая уменьшения яркости при естественном разряде батарей.

Яркость с электронной регулировкой. Освещенность в 0,25 люкс измеряется на расстоянии 2 метра от фонаря. (Такую освещенность дает луна во время полнолуния).

Для улучшения эффективной светоотдачи применяют электронную регулировку (стабилизацию) питающего напряжения. Сила тока контролируется специальной микросхемой, благодаря чему обеспечивается стабильная яркость в течении всего времени работы. Идея была впервые разработанна фирмой Petzl. Благодаря электронной схеме, фонари обладают стабильными характеристиками в течении всего времени работы, а затем переходят в аварийный режим (0.25 люкс). Яркость 0.25 люкс - это освещение, которое дает полная луна высоко над горизонтом в ясную погоду.

Оптимальные источники питания.

1. Для светодиодных фонарей сегодня, это конечно алкалиновые или литиевые (литий-ионные) одноразовые батареи. Литиевые батареи имеют небольшой вес, обладают большой емкостью и хорошо работают при низких температурах. Это, например, Li-MnO2 батареи CR123 или CR2 с напряжением 3В или Li-FeS2 (литий-железодисульфидные) батареи с напряжением 1,5В, но не все светодиодные фонари совместимы с литиевыми батареями - необходимо уточнять в инструкции.
2. Аккумуляторы.

Ток 1С означает ток, численно равный номинальной емкости.

* Из статьи: А.А. Тагановой «ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ»

Никель-кадмиевые (NiCd) имеют небольшой вес и габариты, Плохую экологичность - кадмий страшно вредный для здоровья металл. Взрывоопасны с прочным и герметичным корпусом, имеющие микроклапаны для автоматического сброса газов, но, при этом, достаточно высокую надежность и большие токи зарядки-разрядки. Их часто применяют в бортовой аппаратуре и для устройств, потребляющих большую мощность, например, фонарей для дайвинга. Единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных аккумуляторов (Ni-MH), которые нужно хранить полностью заряженными и от литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые необходимо хранить при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора
Никель-металл-гидридные (Ni-MH), были разработаны для замены никель-кадмиевых (NiCd). NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти » а полная разрядка требуется не часто. Экологически безопасны. Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда — 15-16 часов (рекомендация производителя). Аккумуляторы рекомендуется хранить полностью заряженными в холодильнике, но не ниже 0 С?. Обеспечивают 40-50-процентное преимущество в удельной энергоемкости по сравнению с прежним фаворитом — NiCd. Имеют значительный потенциал для увеличения энергетической плотности. Дружественны к окружающей среде — содержат только умеренные токсины, доступные для вторичной переработки. Недорогие. Доступные в широком диапазоне размеров, параметров и эксплуатационных характеристик.

ГАБАРИТЫ И МИГАЛКИ.

12) TL-LD1000 CatEye

13) RAPID 1 (TL-LD611-F)CatEye

Европейская практика безопасности предполагает использование не только задних, но и передних габаритных фонарей.
Rapid 1 передний (белый) и задний (красный) фонари, с функцией перезарядки аккумуляторных батарей через USB порт и индикатором уровня заряда. Высокая мощность фонаря достигается применением SMD-светодиода и технологии OptiCube ™ . Мерцание CatEye Rapid 1 привлекает внимание автомобилистов и прохожих.
4 режима работы обеспечивают оптимальный выбор параметров, как ночью, так и днем. CatEye Rapid 1 поставляется с низкопрофильным кронштейном SP-12 Flextight ™, который совместим со всеми новыми RM-1.

Время работы: 5 часов (постоянный режим)

25 часов (быстрый и импульсный режимы)

40 часов (мигающий режим)

Режим памяти освещения (последний включенный вами режим)

Аккумулятор Li-ion USB - заряжаемый

Вес около 41 гр. с креплением и аккумулятором

Клипса на одежду.

14) SOLAR (SL-LD210)CatEye

Велосипедист должен быть виден не только со спины, но и встречным потоком машин, не только ночью, но и днем - со включенным габаритным фонарем.

Один 5мм светодиод включается автоматически в мигающим режиме, при начале движения в темноте. Встроенная солнечная батарея производит зарядку в течение 2 часов в хороших погодных условиях и обеспечивает работу до 5 часов. Существуют модели фронтальной и задней установки, поставляется вместе с новым кронштейном Flextight ™. Вес 44 гр. вместе с кронштейном и аккумулятором

ДИНАМО - ФОНАРИ (ЖУЧКИ).

15) BLUE BIRD

3- светодиода, яркость 6 Лм, 3 режима, два постоянных (1LED и 3LED), один мигающий (3LED), работа после подзарядки: - около 40 минут (3LED); - около 90 минут (1LED), вес с креплением на руль 115г.

Впечатление:

Ну, очень удачный фонарик, ИМХО, и как габарит на велосипеде, так и для освещения в «ручном режиме» в палатке, на привале и вообще. В цивилизованных городских условиях, когда общее освещение есть и при хорошем зрении, может быть даже основным фонарем, особенно если дорога известна. Динамка крутиться легко, не сильно шумит, аккумулятор заряжается быстро. Светит хорошим белым светом. ОК!

16) Зарядное устройство Energenie EG-PC-005 для мобильных телефонов с ручным приводом и фонариком. Устанавливается на велосипеде.

Энергия вырабатывается при помощи динамо-машинки с рукояткой. Вращение рукоятки в течение трех минут заряжает мобильный телефон как минимум на 8 минут разговора. Вращение рукоятки в течение 10 минут обеспечивает яркий свет фонарика как минимум в течение 50 минут.

Технические характеристики

• Исходящее напряжение - 4,0-5,5V
• Исходящий ток до 400 mA
• Встроенный Ni-MH перезаряжаемый аккумулятор 80 mAH допускает, как минимум 500 полных перезарядок
• 2 фонарика:
  -головной: светодиодный, при максимальном заряде освещает до 10метров.
  -задний: красный светодиод.
• Два режима: постоянное свечение (3LED), - стробоскоб (3LED)
• Вес нетто 0,2 кг
  Комплект поставки

• Зарядное устройство Energenie EG-PC-005 для мобильных телефонов с ручным приводом, устройством крепления на велосипеде и передним фонариком
• задний фонарик с 1,2м кабелем
• кабель для телефонов Nokia
• 6 адаптеров для других телефонов

Впечатление:

Неплохой габарит, годится для освещения в палатке и для всяких хозяйственных нужд. Светодиоды не самые лучшие - с явным синеватым оттенком, что не есть гут. К сожалению, аккумулятор с некоторым трудом справляется с двойной нагрузкой (3 LED ) впереди и красный габарит сзади - и достаточно быстро «садиться». Пришлось отключить и выкинуть красный задний габарит и, ИМХО, стало получше (подольше). Рычаг динамки крутиться легко, шума не много, собственный аккумулятор заряжается без проблем. Приходилось заряжать в походных условиях и мобильник и электронную книгу. При некотором упорстве и терпении сделать это можно, но придется потрудиться. Когда фонарь работет на внешнюю нагрузку, усилие на рычаге значительно возрастет и приходиться слегка попотеть. Но общая оценка данного дивайса - полезная вещь.

17) Зарядное устройство Energenie EG-SC-001 для мобильных телефонов с аккумулятором, заряжаемым от света и от электросети и со встроенным светодиодным фонариком.

Наличие USB разъема позволяет быстро заряжать встроенный аккумулятор оснащённый защитой от перезаряда, глубокого разряда, перегрузки и короткого замыкания. В случае разряда аккумулятора срабатывает система оповещения. Имеет встроенный светодиодный фонарик.

Заряжает следующие мобильные телефоны и снабжен следующими разъемами: Nokia 6101 и 8210 серий, Samsung A288 серии, Mini USB 5pin, Sony Ericsson K750 серии, Micro-USB.

Солнечные элементы Energenie EG-SC-001 позволяет заряжать мобильные устройства в походе, разумеется в солнечную погоду.
Технические характеристики

• исходящее напряжение - 5,4V
• исходящий ток до 1400 mA
• встроенный Li-ion перезаряжаемый аккумулятор 2000 mAH допускает, как минимум 500 полных перезарядок
• встроенный USB разъем 5-6V
• яркий светодиодный фонарик
• размеры: 116*49*26 мм
• вес 130 г

Комплект поставки

• Зарядное устройство
• AC220V-DC5V USB Адаптер питания A черный
• 5 переходников для зарядки мобильных телефонов
• Соединительный USB кабель.

Часть теоретическая

Конечно, во-первых, это энергоэффективность и энергосбережение. К сожалению, вольфрамовая спираль больше излучает «тепловых» фотонов (т.е. свет с длинной волны более 700-800 нм), чем даёт света в видимом диапазоне (300-700 нм). С этим трудно спорить – график ниже всё расскажет сам за себя. С учётом того, что потребляемая мощность газоразрядных и светодиодных ламп в несколько раз ниже, чем у ламп накаливания при той же освещённости, которая измеряется в люксах . Таким образом, получаем, что для конечного потребителя это действительно выгодно. Другое дело – промышленные объекты (не путать с офисами): освещение пусть и важная часть, но всё-таки основные энергозатраты связаны как раз с работой станков и промышленных установок. Поэтому все вырабатываемые гигаватты уходят на прокатку труб, электропечи и т.д. То есть реальная экономия в рамках всего государства не так уж и велика.

Во-вторых, срок службы ламп, пришедших на замену «лампочкам Ильича», выше в несколько раз. Для светодиодной лампы срок службы практически неограничен, если правильно организован теплоотвод.

В-третьих, это инновации/модернизации/нанотехнологии (нужное подчеркнуть). Лично я ничего инновационного ни в ртутных, ни в светодиодных лампах не вижу. Да, это высокотехнологичное производство, но сама идея – это всего лишь логичное применение на практике знания о полупроводниках, которому лет 50-60, и материалов, известных около двух десятилетий.

Так как статья посвящена светодиодным лампам, то я более подробно остановлюсь на их устройстве. Давно известно, что проводимость освещённого полупроводника выше, чем проводимость неосвещённого (Wiki). Каким-то неведомым образом свет заставляет электроны бегать по материалу с меньшим сопротивлением. Фотон, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводника (E g), способен выбить электрон из так называемой валентной зоны и закинуть в зону проводимости.

Схема расположения зон в полупроводнике. E g – запрещённая зона, E F – энергия Ферми, цифрами указано распределение электронов по состояниям при T>0 ()

Усложним задачу. Возьмём два полупроводника с разным типом проводимости и и соединим вместе. Если в случае с одним полупроводником мы просто наблюдали увеличение тока, протекающего через полупроводник, то теперь мы видим, что этот диод (а именно так по-другому называется p-n-переход, возникающий на границе полупроводников с различным типом проводимости) стал мини-источником постоянного тока, причём величина тока будет зависеть от освещённости. Если выключить свет, то эффект пропадёт. Кстати, на этом основан принцип работы солнечных батарей .

На стыке полупроводников p и n типа возникающие после облучения светом заряды разделяются и «уходят» каждый к своему электроду ()

Теперь вернёмся к светодиодам. Получается, что можно провернуть и обратное: подключить полупроводник p-типа к плюсу на батарейке, а n-типа – к минусу, и… И ничего не произойдёт, никакого излучения в видимой части спектра не будет, так как наиболее распространенные полупроводниковые материалы (например, кремний и германий) – непрозрачны в видимой области спектра. Всему виной то, что Si или Ge являются не прямозонными полупроводниками . Но есть большой класс материалов, которые обладают полупроводниковыми свойствами и одновременно являются прозрачными. Яркие представители – GaAs (арсенид галия), GaN (нитрид галлия).

Итого, чтобы получить светодиод нам надо всего-то сделать p-n-переход из прозрачного полупроводника. На этом я, пожалуй, остановлюсь, ибо, чем дальше, тем сложнее и непонятнее становится поведение светодиодов.

Позволю себе лишь несколько слов о современных технологиях производства светодиодов. Так называемый активный слой представляет собой очень тонкие 10-15 нм толщиной перемежающиеся слои полупроводников p- и n-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al. Такие слои эпитаксиально выращивают с помощью метода MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition или химическое осаждение из газовой фазы).

Схематичное представление устройства светодиода

Есть ещё одна проблема, которая мешает реализовать 100% конверсию (преобразование 1 электрона в 1 фотон) электричества, и заключается она в том, что даже такие тонкие слои полупроводников в определённой степени поглощают свет. Даже не то, чтобы сильно поглощают, просто свет «блуждает» внутри кристалла из-за эффекта полного внутреннего отражения на границе кристалл/воздух: увеличивается длина пути до выхода света из кристалла и, в конечном счёте, такой блуждающий фотон может поглотиться. Один из путей решения – использование структурированных подложек. Например, в современной светодиодной промышленности широко используется метод формованной сапфировой подложки. Такое микроструктурирование приводит к повышению эффективности светоотдачи всего диода ().

Для заинтересованных читателей могу предложить познакомиться с физикой , лежащей в основе работы светодиодов. Помимо этой интересной работы, выполненной в стенах родного МГУ, у Светланы и Оптогана есть прекрасная плеяда научных коллективов в самом Санкт-Петербурге. Например, ФизТех . А ещё можно почитать .

Часть методическая

Спектрометр Ocean Optics – отличный инструмент в умелых руках

Часть практическая

Все лампочки в сборе. Можем начинать!

Спектры

Спектр трёх лампочек сравнения (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

А вот у светодиодных ламп спектр разительно отличается. Есть две компоненты: собственно, синяя от самого диода, и вторая, размазанная по всему спектру, – от люминофора или, по-русски, флуоресцентного красителя, который наносят на сами светодиоды и заливают сверху защитным слоем полимера. Соотношение между синим цветом диода и полосой эмиссии (испускания) люминофора определяет цветовую температуру лампы. Мы можем видеть, что у «Оптогана» самый тёплый свет, а у Китая самый холодный. Выгодно использовать 1 люминофор для регулирования цветовой температуры, таким образом, толщина слоя люминофора в купе с мощностью светодиода и определяет цветовую температуру. Стоит отметить, что в лампочках из Китая и от «Светланы» используется, по всей видимости, один и тот же люминофор, а вот «Оптоган» применяет свой собственный (существенное отличие максимума полосы испускания люминофора).

Сравнение спектров светодиодных ламп и традиционной лампы Ильича (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Лампочка от Светланы нам досталась в поломанном виде, и спектр мы снимали уже без матового стекла. Однако позвольте продемонстрировать аналогичную ситуацию на примере лампы из Китая, благо их было две штуки. Нормированные спектры мало различаются между собой, а небольшое увеличение интенсивности можно списать на то, что более длинноволновое излучение лучше рассеивается на матовом стекле.

Сравнение ламп китайского производства с и без стеклянной колбы (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Если кому-то будет интересно, то представлено довольно обстоятельное моделирование характеристик светодиодов.

Цена, материалы и характеристики

Трёх девиц под окном ломали поздно вечерком… Слева направо: Оптоган, СветаLED и NoName Китай

Китайский NoName

«Оптоган»

Кстати, с качеством у Оптогана пока проблемы: тест на выносливость не проходит. Пару раз ввернул/вывернул и получил следующий результат:

Хлипкое крепление. Дамская лампочка, что тут ещё сказать!

«СветаLED»

Те, кто нещадно бил лампочки «СветаLED» и NoName из Китая говорят, что стекло довольно хрупкое, и по качеству (чисто субъективная оценка) уступает лампочкам накаливания.

Так ковырялась лампочка…

Небольшой фотоотчёт (видеокамера почему-то отказалась работать) о том, как мы разбирали лампочки:

К гламурному эксперименту надо подходить гламурно! (Хотя все совпадения цветов вымышлены)

Самое главное оружие – молоток, как же без него?!

Честно, я старался, но поликарбонат так и не поддался. Разрушалось всё, стол, линолеум, алюминиевый радиатор, но не поликарбонат, который в последствие был удалён отвёрткой. Но лампочка даже в полуразобранном состоянии продолжала гореть.

Далее пришлось очень долго ковырять драйвер, который залит каким-то полимером. В результате и драйвер, и гордость Оптогана – монолитный светодиодный чип – были извлечены на поверхность.

Драйвер

Сверху вниз: «Оптоган», «СветаLED» и Китай

Начнём с самого нижнего. Китайский драйвер, честно говоря, мне понравился: мощные конденсаторы, катушки, немножко преобразующей электроники (диодный мост и т.д.). Всё выполнено очень компактно, из-за чего сама лампа имеет довольно скромные размеры. Также, большим плюсом является то, что все подводящие провода длинные, т.е. реально можно «отремонтировать» лампу! Или использовать драйвер после срока службы лампы в каких-то иных целях. Конечно, большинству обычных пользователей до этого нет дела, но всё-таки это можно отнести к потенциальным плюсам. Сама подложка со светодиодными чипами крепится на 2 миниатюрных болтика (ведь китайская же…), так что, в прямом смысле, с лампой можно обходиться как с конструктором.

Драйвер из китайской NoName LED-лампочки

Проводки действительно очень длинные…

Лампа производства компании «Оптоган» имеет очень сложный драйвер с твердотельными конденсаторами и, как меня убеждали специалисты, с импульсным блоком питания (хотя все светодиодные лампы должны иметь такой блок питания). При этом сам драйвер наравне со светоизлучающим модулем является «фишкой» фирмы и её основной гордостью. Ходят слухи, что компания будет вести R&D в области минимизации этого драйвера и, возможно, в ближайшем будущем уменьшит размер своей гигантской лампочки до приемлемых размеров.

Гордость «Оптогана» – драйвер и светоизлучающий модуль – рядом с главным фейлом – цоколем

«СветаLED». Назвать это драйвером язык не поворачивается. Даже у Китая есть какие-то «плюшки», которые улучшают потребительские свойства лампы (например, защищают от мигания), но здесь нет ничего ровным счётом, кроме диодного моста, предохранителя, огромнейшего конденсатора (10 мкФ, 450 В – много это или мало?! стоит сказать, что энергии, запасённой в конденсаторе, хватает на то, чтобы лампочка светила 1,5 минуты после отключения питания) и, по всей видимости, коммутатора нагрузки. Всё настолько просто и примитивно, что я сначала был слегка удивлён. Истинное детище сумрачного российского гения …

Тоже гордость…сумрачного российского гения

Возможно, что простота исполнения – козырь лампочки «СветаLED». Мерцания с частотой 50 Герц, скорее всего, среднестатистический глаз вряд ли увидит, да и неоткуда им там взяться, так как мощный конденсатор всё сглаживает, а люминофор и подавно не сможет так быстро высвечивать закачанную в него энергию (фосфоресценцию в сложных молекулярных красителях никто не отменял). Отсюда должна вытекать низкая стоимость лампы… хм, но где-то тут есть подвох, так как лампа планируется к выпуску по цене, близкой к китайскому аналогу с учётом разовой доставки в Россию!

N.B. Важно помнить, что помимо всего прочего важными и зависящими от устройства драйвера параметрами являются: коэффициент пульсаций, которые могут негативно влиять на умственную активность человека, и фоновое электромагнитное излучение, которое неизбежно возникает из-за использования различных «выпрямляющих» схем. Но это уже совсем другая история…

Светодиоды

Если честно, то к китайскому светодиоду, именно к самому чипу, я проникся симпатией. Красота его внутреннего устройства просто восхитительна. Мне повезло: пока я отрывал все слои с этого светодиода, нечаянно повредил большой диод-чип, в результате чего обнажилась микроструктурированная сапфировая подложка:

Оптические микрофотографии китайского чипа вид сверху: золотистые полосы на чипе – токоподводящие контакты.

Слоистая структура светоизлучающего чипа при максимальном увеличении на оптическом микроскопе. Темная область соответствует сапфировой подложке. Стрелками отмечены отдельные слои или группы слоёв.

Кстати, сам чип изолирован от внешнего мира как минимум 3 слоями, но мне кажется, что их всё-таки там 4. Первый – полимер с люминофором, превращающий часть излучения в синей области спектра в жёлто-оранжевую. Второй – небольшой слой мягкого полимера, затем выпуклая оболочка (а-ля линза) из твёрдого полимера, и ещё два слоя из мягкого и твёрдого полимеров.

Мне хотелось бы отметить, что по сравнению с остальными лампами китайская максимально просто устроена. Всего 4 проводка соединяют большой чип с окружающим миром (у остальных ламп их гораздо больше), всего 1 светоизлучающий чип на диод, который уже непосредственно монтируется на плату, грамотно разведённые токоподводящие контакты на самом чипе, позволяющие равномерно по всей поверхности протекать электрическому току (что-то подобное есть и у «Оптогана»). Каких-то явных, существенных недостатков мне найти не удалось.

SEM-изображения структурированной сапфировой подложки

Слоистая структура выдаёт, что мы на правильном пути (следствие метода создания чипов - MOCVD), но разглядеть отдельные слои активной области вряд ли удастся…

Чип и контакты, которые его питают

Приступим к лампочке от «Оптогана». Самое странное, на мой взгляд, – расположение светоизлучающего модуля. По центру. И у Китая, и у «Светланы» несколько «миниатюрных» модулей мощностью по 1 Вт равномерно распределены по подложке, таким образом, теплоотвод от светодиодов этих фирм намного лучше, чем от модуля «Оптогана». Да, я прекрасно понимаю, что светодиодный модуль «Оптогана» выполнен из меди, она хорошо проводит тепло, а большой радиатор эффективно его рассеивает. Но лампочка от «Оптогана» имеет огромные размеры, которые, кстати, ещё и обусловлены тем, что надо как-то крепить поликарбонатную колбу, и влезет не в каждый патрон.

Такой светодиодный модуль устроен довольно просто: в шахматном порядке под полимерным слоем, окрашенным жёлто-оранжевым люминофором, расположены отдельные диоды, которые соединены друг с другом (схему соединения диодов и прочие технические детали можно найти ).

SEM-изображение отдельных светодиодов на подложке после удаления полимерного слоя

Сам же полимерный слой имеет довольно интересную структуру. Он состоит из маленьких (диаметр ~10 мкм) шариков:

Оптические микрофотографии «изнанки» полимерного слоя

Случайно получилось так, что один разрезанный микротомом диод остался в полимерном слое. Стоит отметить, что сам диод действительно прозрачен и сквозь него видны контакты на другой стороне чипа:

Оптические микрофотографии светодиода с тыльной стороны: отличная прозрачность для такого рода изделий

Полимерный слой настолько прочно приклеен как к самой медной подложке, так и к отдельным чипам, что после его удаления на поверхности диодов всё равно остаётся тонкий слой полимера. Ниже на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа можно во всей красе увидеть «скол» того самого активного слоя диода, в котором электроны «перерождаются» в фотоны:

SEM-изображения светоизлучающего слоя отдельного светодиода (стрелками указано расположение активного слоя)

А вот и текстурированный буферный слой, внимательно присмотритесь к правому нижнему изображению – оно нам ещё пригодится (стрелками указан буферный слой)

После неаккуратного обращения с чипом некоторые контакты повредились, а некоторые остались целыми

И последняя лампа – «СветаLED». Первое, что удивляет, – подложка со светодиодными модулями – внимание! – прикручена на здоровенный болтик к остальной лампе (прям как в Китае делали). Когда разбирал, думал, что может мешать «оторвать» её от остальной лампы, а потом увидел болтик… Кстати, на обороте этой алюминиевой подложки маркером! написан какой-то номер. Такое создаётся ощущение, что на заводе Светланы под Питером работают гастарбайтеры, которые собирают эти лампы вручную. Хотя нет, погодите, ведь лампочки производят военные… …

Мало того, что подложка со светодиодами прикручена на шурупчик, так на обратной стороне написан номер… МАРКЕРОМ – ручная работа…

Сами модули намертво посажены на алюминиевую подложку: оторвать целиком не получается. Видимо припаяны, чтобы улучшить теплопроводность. Здесь я много комментировать не буду, так как все комментарии приведены выше при обсуждении лампы «Оптогана».

Оптические микрофотографии светоизлучающего диода от компании Светлана: на изображении-вставке отчётливо видна микроструктура подложки

На заметку: удалось разглядеть, как соединены отдельные чипы в модуле от «Светланы». Последовательно, к моему великому разочарованию. Таким образом, если «перегорит» хотя бы 1 светодиод, то весь модуль перестанет работать.

SEM-изображения светоизлучающего диода от компании Светлана (стрелочками показана активная область). На левом верхнем рисунке добавлено изображение предполагаемых контактов так, как они должны были быть проложены в модуле (4 x3 диода).

Всё та же знакомая микроструктурированная сапфировая подложка…

Не вызывает ли эта картинка эффекта déjà vu?! Стрелочками указан буферный слой.

К сожалению, сайт компании, производящей лампы «СветаLED», выполнен истинными дизайнерами: много красивых картинок и мало смысла, нет нормальных дотошных спецификаций, как, например, на сайте «Оптогана» (кстати, он существует на двух доменах и COM с примерно одинаковым содержанием). К тому же, есть сайт, посвящённой только 1 лампочке , есть сайт собственно самой компании , но спецификации вообще почему-то лежат на совершенно ином ресурсе .

Скандалы, интриги, расследования…

2. Внимательно почитайте спецификацию на сайте «Оптогана» и на сайте «Светланы» . Модуль у «Светланы» имеет размеры 5 на 5 мм, 2 уголка на «крышке» срезаны под 45 градусов и т.д. – многое совпадает со спецификацией «Оптогана». Продолжающийся эффект déjà vu не мучает?! А может просто всё закупается на Тайване?!

И, конечно же, выводы

Лампы «отечественного» производства, а в особенности, «Оптоган» как всегда «радуют» своей ценой. Я больше, чем уверен, что можно было бы начать с «кустарного» дизайна, дешёвых материалов (стекло вместо поликарбоната) и заполнить нишу бюджетных источников света (вроде как богачей в России не так уж много, или я чего-то не знаю?!). Но даже не это главное, готовых вложить 1000 рублей в лампочку и не думать об их покупке в течение нескольких лет найдётся не мало. Оставим внешнее поразительное сходство между модулями, меня больше заботит другое – сходство между отдельными светодиодными чипами (геометрические размеры, расположение, контакты и т.д.). Такое ощущение, что изготавливали их на оборудовании одной и той же фирмы, только версии этого оборудования отличаются как v.1.0 и v.1.1. Конечно, я понимаю, что самое главное в светодиоде – внутренняя структура активной зоны, но, согласитесь, трудно достать 1 чип размером 160 на 500 мкм (толщина человеческого волоса 50-80 мкм) и сравнить эмиссионные спектры у чипов «Оптогана» и «Светланы».

Тем не менее, если компании «Оптоган» доработает цоколь, уберёт дорогие материалы (поликарбонат), уменьшит размеры, заменит 1 мощный чип на несколько более простых и оптимизирует драйвер (короче, вы поняли – полностью переделает лампу), то у такой лампочки будут все шансы завоевать российский рынок, так как помимо указанных недостатков, есть и масса плюсов таких, как грамотное соединение диодов в модуле, умный «драйвер» и т.д. Спасибо технической документации.

Что же касается «Светланы», то кроме простейшего драйвера, который должен влиять на цену в сторону понижения, расположения светоизлучающих модулей на подложке, плюсов-то практически и нет. Техническая документация мутная, светодиоды соединены последовательно, что при «перегорании» 1 диода выводит целый модуль из строя (т.е. в нашем случае снижает световой поток на 12,5%), размазанная повсюду термопаста – всё это уверенности не добавляет. Но, это был всего лишь прототип, может быть, промышленные образцы будут лучше.

Данная статья не имеет целью очернение или наоборот превознесение продукции одних производителей над другими. Привожу только факты, а уж вывод делать вам! Как говорится, думайте сами, решайте сами…

Видео раздел

Процесс переноски светодиодных чипов внутрь пластикового корпуса:

А так на Тайване «фасуют» светодиодные чипы по пластиковым модулями с нанесением красителя и упаковкой в бобины:

Спектральные характеристики

Если кратко, то:
Свет высшего качества у лампы накаливания (Ra=96). На втором месте традиционная и хорошо отработанная технология - люминисцентные лампы (Ra=82 и 85). На третьем светодиодные лампочки. Среди светодиодных лампочек места распределились ожидаемым образом - на первом месте немецко-российские лампочки Оптоган (Ra=80), на втором и третьем месте китайские лампочки (Ra=70) и российские лампочки Светлана (Ra=68).

P.S. В среду (26.10) начнётся Форум по нанотехнологиям

В-третьих , если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале - милости просим;)

Белый светодиод

Мощный белый светодиод

Различают два вида белых светодиодов:

• Многокристальные светодиоды, чаще - трехкомпонентные (RGB -светодиоды), имеющие в своём составе три полупроводниковых излучателя красного, зелёного и синего свечения, объединённые в одном корпусе.
• Люминофорные светодиоды, создаваемые на основе ультрафиолетового или синего светодиода , имеющие в своем составе слой специального люминофора, преобразующего в результате фотолюминесценции часть излучения светодиода в свет в относительно широкой спектральной полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространенная конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет различных оттенков.

История изобретения

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Н. Холоньяком в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды желтого и зеленого цвета свечения. Световой выход в начале малоэффективных устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен . В 1993 году Суджи Накамура, инженер компании Nichia (Япония) создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зеленый цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем, технология быстро развивалась и к 2005 году световой выход светодиодов достиг значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и с ставшими уже традиционными люминисцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, в внутреннем и уличном освещении .

RGB светодиоды

Белый свет может быть создан путем смешивания излучений светодиодов различного цвета. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного (R), зелёного (G) и синего (B) источников, хотя встречаются бихроматические, тетрахроматические и более многоцветные варианты. Многоцветный светодиод, в отличие от других RGB полупроводниковых излучателей (светильники, лампы , кластеры) имеет один законченный корпус, чаще всего аналогичный одноцветному светодиоду. Светодиодные чипы располагаются рядом друг с другом и используют одну общую линзу и отражатель . Поскольку полупроводниковые чипы имеют конечный размер и собственные диаграммы направленности , такие светодиоды чаще всего имеют неравномерные угловые цветовые характеристики . Кроме того, для получения правильного соотношения цветов зачастую недостаточно установить расчётный ток , поскольку световой выход каждого чипа неизвестен заранее и подвержен изменениям в процессе работы. Для установки нужных оттенков, RGB светильники иногда оснащают специальными регулирующими устройствами .

Спектр RGB светодиода определяется спектром составляющих его полупроводниковых излучателей и имеет ярко выраженную линейчатую форму. Такой спектр сильно отличается от спектра солнца, следовательно индекс цветопередачи RGB светодиода невысок. RGB-светодиоды позволяют легко и в широких пределах управлять цветом свечения путем изменения тока каждого светодиода, входящего в триаду , регулировать цветовой тон излучаемого ими белого света прямо в процессе работы - вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов.

Многоцветные светодиоды имеют зависимость светового выхода и цвета от температуры за счет различных характеристик составляющих прибор излучающих чипов, что сказывается в незначительном изменении цвета свечения в процессе работы . Срок службы многоцветного светодиода определяется долговечностью полупроводниковых чипов, зависит от конструкции и чаще всего превышает срок службы люминофорных светодиодов.

Многоцветные светодиоды используются в основном для декоративной и архитектурной подсветки , в электронных табло и в видеоэкранах .

Люминофорные светодиоды

Спектр одного из вариантов люминофорного светодиода

Комбинирование синего (чаще) или ультрафиолетового (реже) полупроводникового излучателя и люминофорного конвертера позволяет изготовить недорогой источник света с неплохими характеристиками. Самая распространенная конструкция такого светодиода содержит синий полупроводниковый чип нитрида галлия , модифицированный индием (InGaN) и люминофор с максимумом переизлучения в области жёлтого цвета - иттрий -алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ). Часть мощности исходного излучения чипа покидает корпус светодиода, рассеиваясь в слое люминофора, другая часть поглощается люминофором и переизлучается в области меньших значений энергии. Спектр переизлучения захватывает широкую область от красного до зелёного, однако результирующий спектр такого светодиода имеет ярко выраженный провал в области зелёного-синезелёного цвета.

В зависимости от состава люминофора, выпускаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»). Путем комбинирования различных типов люминофоров, достигается значительное увеличение индекса цветопередачи (CRI или R a) , что позволяет говорить о возможности применения светодиодного освещения в критических для качества цветопередачи условиях.

Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости - увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров - увеличение плотности тока . Такой метод связан с одновременным повышением требований к качеству самого чипа и к качеству теплоотвода. С увеличением плотности тока, электрические поля в объеме активной области снижают световой выход . При достижении предельных токов, поскольку участки светодиодного чипа с различной концентрацией примеси и разной шириной запрещённой зоны проводят ток по-разному , происходит локальный перегрев участков чипа, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом. В целях увеличения выходной мощности при сохранении качества спектральных характеристик, теплового режима, выпускаются светодиоды, содержащие кластеры светодиодных чипов в одном корпусе.

Одна из самых обсуждаемых тем в области технологии полихромных светодиодов - это их надёжность и долговечность. В отличие от многих других источников света, светодиод с течением времени меняет свои характеристики светового выхода (эффективности), диаграммы направленности, цветовой оттенок, но редко выходит из строя полностью. Поэтому для оценки срока полезного использования принимают, например для освещения, уровень снижения светотдачи до 70% от первоначального значения (L70) . То есть, светодиод, яркость которого в процессе эксплуатации снизалась на 30% считается вышедшим из строя. Для светодиодов, используемых в декоративной подсветке используется в качестве оценки срока жизни уровень снижения яркости 50% (L50).

Срок службы люминофорного светодиода зависит от многих параметров . Кроме качества изготовления самой светодиодной сборки (способа крепления чипа на кристаллодержателе, способа крепления токоподводящих проводников, качества и защитных свойств герметизирующих материалов), время жизни в основном зависит от особенностей самого излучающего чипа и от изменения свойств люминофора с течением наработки (деградация). Причём, как показывают многочисленные исследования, основным фактором влияния на срок службы светодиода считается температура.

Влияние температуры на срок службы светодиода

Полупроводниковый чип в процессе работы часть электрической энергии излучает в виде излучения , часть в виде тепла . При этом, в зависимости от эффективности такого преобразования, количество тепла составляет около половины для самых эффективных излучателей или более. Сам полупроводниковый материал обладает невысокой теплопроводностью , кроме того, материалы и конструкция корпуса обладают определенной неидеальной тепловой проводимостью, что приводит к разогреву чипа до высоких (для полупроводниковой структуры) температур. Современные светодиоды работают при температурах чипа в районе 70-80 градусов. И дальнейшее увеличение этой температуры при использовании нитрида галлия, недопустимо. Высокая температура приводит к увеличению количества дефектов в активном слое, приводит к повышенной диффузии , изменению оптических свойств подложки. Всё это приводит к увеличению процента безизлучательной рекомбинации и поглощению фотонов материалом чипа. Увеличение мощности и долговечности достигается усовершенствованием как самой полупроводниковой структуры (снижение локального перегрева), так и развитием конструкции светодиодной сборки, улучшением качества охлаждения активной области чипа. Также, проводятся исследования с другими полупроводниковыми материалами или подложками .

Люминофор также подвержен действию высокой температуры. При длительном воздействии температуры переизлучательные центры ингибируются и коэффициент преобразования, а также спектральные характеристики люминофора ухудшаются. В первых и некоторых современных конструкциях полихромных светодиодов люминофор наносится прямо на полупроводниковый материал и тепловое воздействие максимально. Кроме мер по снижению температуры излучающего чипа, производители используют различные способы снижения влияния температуры чипа на люминофор. Технологии изолированного люминофора и конструкции светодиодных ламп, в которых люминофор физически отделен от излучателя позволяют увеличить срок службы источника света.

Корпус светодиода, изготавливаемый из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, подвержен старению под воздействием температуры и со временем начинает тускнеть и желтеть, поглощая часть излучаемой светодиодом энергии. Отражающие поверхности также портятся при нагреве - вступают во взаимодействие с другими элементами корпуса, подвержены коррозии. Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что яркость и качество излучаемого света постепенно снижается. Однако, этот процесс можно успешно замедлить, обеспечивая эффективный теплоотвод.

Конструкция люминофорных светодиодов

Схема одной из конструкций белого светодиода. MPCB - печатная плата с высокой тепловой проводимостью.

Современный люминофорный светодиод - это сложное устройство, объединяющее много оригинальных и уникальных технических решений. Светодиод имеет несколько основных элементов, каждый из которых выполняет важную, зачастую не одну функцию :

Все элементы конструкции светодиода испытывают тепловые нагрузки и должны быть подобраны с учетом степени их теплового расширения. И немаловажным условием хорошей конструкции является технологичность и низкая стоимость сборки светодиодного прибора и монтажа его в светильник.

Яркость и качество света

Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его cветовая отдача , то есть световой выход с каждого Ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 150-170 лм/Вт. Теоретический предел технологии оценивается в 260-300 лм/Вт . При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счет КПД источника питания, оптических свойств рассеивателя, отражателя и других элементов конструкции. Кроме того, производители зачастую указывают начальную эффективность излучателя при нормальной температуре. Тогда как температура чипа в процессе работы значительно выше. Это приводит к тому, что реальная эффективность излучателя ниже на 5 - 7%, а светильника зачастую - вдвое.

Второй не менее важный параметр - качество производимого светодиодом света. Для оценки качества цветопередачи существует три параметра:

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

Кроме уже ставшего распространённым варианта комбинации голубого светодиода и ИАГ, развивается также конструкция на базе ультрафиолетового светодиода. Полупроводниковый материал, способный излучать в близкой ультрафиолетовой области , покрывают несколькими слоями люминофора на базе европия и сульфида цинка, активированного медью и алюминием. Такая смесь люминофоров дает максимумы переизлучения в районе зелёной, синей и красной областей спектра. Полученный белый свет обладает весьма хорошими характеристиками качества, однако эффективность такого преобразования пока невелика.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

Учитывая высокую стоимость светодиодных источников освещения по сравнению с традиционными лампами, необходимы веские причины для использования таких устройств :

• Основное преимущество белых светодиодов - высокий КПД. Низкое удельное энергопотребление позволяет применять их в длительно работающих источниках автономного и аварийного освещения .
• Высокая надежность и длительный срок службы позволяют говорить о возможной экономии на замене ламп. Кроме того, использование светодиодных источников света в труднодоступных местах и уличных условиях позволяет снизить затраты на обслуживание. В совокупности с высокой эффективностью, можно сказать о существенной экономии средств при использовании светодиодного освещения в некоторых применениях.
• Малый вес и размер устройств. Светодиоды отличаются малыми габаритами и пригодны для использования в труднодоступных местах и малогабаритных переносных устройствах.
• Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре позволяет использовать светодиодное освещение без вреда для человека и в специальных целях (например для освещения раритетных книг или других подверженных влиянию света предметов).
• Отличная работа при отрицательных температурах без снижения, а зачастую и с улучшением параметров. Большинство типов светодиодов показывают бо́льшую эффективность и долговечность при снижении температуры, однако устройства питания, управления и элементы конструкции могут иметь противоположную зависимость.
• Светодиоды - безинерционные источники света, они не требуют времни на прогрев или выключение, как например люминесцентные лампы и количество циклов включения и выключения не оказывает негативного влияния на их надежность.
• Хорошая механическая прочность позволяет использовать светодиоды в тяжёлых условиях эксплуатации.
• Легкость регулирования мощности как скважностью , так и регулированием тока питания без снижения параметров эффективности и надёжности.
• Безопасность использования, нет опасности поражения электрическим током за счет низкого питающего напряжения.
• Низкая пожароопасность, возможность использования в условиях взрывоопасности и опасности возгорания за счет отсутствия накальных элементов.
• Влагостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред.
• Химическая нейтральность, отсутствие вредных выбросов и отсутствие специальных требований к процедурам утилизации.

Но есть и недостатки:

Светодиоды освещения обладают также особенностями, присущими всем полупроводниковым излучателям, учитывая которые, можно найти наиболее удачное применение, например направленность излучения. Светодиод светит только в одну сторону без применения дополнительных отражателей и рассеивателей. Светодиодные светильники наилучшим образом подходят для местного и направленного освещения.

Перспективы развития технологии белых светодиодов

Технологии изготовления светодиодов белого цвета, пригодных для целей освещения находятся в стадии активного развития. Исследования в этой области стимулируются повышенным интересом со стороны общества. Перспективы значительной экономии энергии привлекают инвестиции в сферу изучения процессов, развития технологии и поиска новых материалов. Судя по публикациям производителей светодиодов и сопутствующих материалов, специалистов в области полупроводников и светотехники, можно обозначить пути развития в этой области:

См. также

Примечания

1. , p. 19-20
2. Светодиоды MC-E компании Cree, содержащие красный, зелёный, голубой и белый излучатели (англ.) . LED Professional. Архивировано
3. Светодиоды VLMx51 компании Vishay, содержащие красный, оранжевый, жёлтый и белый излучатели (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
4. Многоцветные светодиоды XB-D и XM-L компании Cree (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
5. Светодиоды XP-C компании Cree, содержащие шесть монохроматических излучателей (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
6. Никифоров С. «S-класс» полупроводниковой светотехники // Компоненты и технологии : журнал. - 2009. - № 6. - С. 88-91.
7. Трусон П. Халвардсон Э. Преимущества RGB-светодиодов для осветительных приборов // Компоненты и технологии : журнал. - 2007. - № 2.
8. , p. 404
9. Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов // Компоненты и технологии : журнал. - 2005. - № 9.
10. Светодиоды для интерьерной и архитектурной подсветки (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
11. Сян Лин Ун (Siang Ling Oon) Светодиодные решения для систем архитектурной подсветки // : журнал. - 2010. - № 5. - С. 18-20.
12. Светодиоды RGB для использования в электронных табло (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
13. Туркин А. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии : журнал. - 2011. - № 5.
14. Светодиоды с высокими значениями CRI (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
15. Технология EasyWhite компании Cree (англ.) . LEDs Magazine. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
16. Никифоров С., Архипов А. Особенности определения квантового выхода светодиодов на основе AlGaInN и AlGaInP при различной плотности тока через излучающий кристалл // Компоненты и технологии : журнал. - 2008. - № 1.
17. Никифоров С. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным // Компоненты и технологии : журнал. - 2006. - № 3.
18. Светодиоды с матричным расположением большого количества полупроводниковых чипов (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
19. Срок службы белых светодиодов Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
20. Виды дефектов LED и методы анализа (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
21. , p. 61, 77-79
22. Светодиоды компании SemiLEDs (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
23. GaN-on-Si Программа исследований светодиодов на кремниевой основе (англ.) . LED Professional. Проверено 10 ноября 2012.
24. Технология изолированного люминофора компании Cree (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
25. Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника : журнал. - 2011. - № 5. - С. 28-33.
26. Иванов А. В., Фёдоров А. В., Семёнов С. М. Энергосберегающие светильники на основе высокоярких светодиодов // Энергообеспечение и энергосбережение – региональный аспект : XII Всероссийское совещание: материалы докладов. - Томск: СПБ Графикс, 2011. - С. 74-77.
27. , p. 424
28. Белые светодиоды с высоким световым выходом для нужд освещения (англ.) . Phys.Org™. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
29. Основы светодиодного освещения (англ.) . U.S. Department of Energy. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
30. Шаракшанэ А. Шкалы оценки качества спектрального состава света - CRI и CQS // Полупроводниковая светотехника : журнал. - 2011. - № 4.
31. Ультрафиолетовые светодиоды SemiLED с длиной волны 390-420 нм. (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
32. , p. 4-5
33. Системы активного охлаждения кампании Nuventix (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
34. Н.П.Сощин Современные фотолюминофоры для эффективных приборов твердотельного освещения. Материалы конференции. (рус.) (february 1, 2010). Архивировано
35. О.Е.Дудукало, В.А.Воробьев (рус.) (may 31, 2011). Архивировано из первоисточника 27 октября 2012.
36. Тесты ускоренной температурной деградации люминофоров (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
37. Research and Markets Releases New 2012 Report on LED Phosphor Materials (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 10 декабря 2012. Проверено 30 ноября 2012.
38. Intematix представил набор люминофоров для качественной цветопередачи (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
39. Lumi-tech предложил SSE люминофор для белых светодиодов (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
40. Красный фосфор от компании Intematix (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
41. Светодиоды на квантовых точках (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
42. Прототип красного всетодиода с длиной волны 609 нм компании Osram с эффективностью 61 % (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
43. Переход на структуру GaN-on-Si (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
44. Tim Whitaker Joint venture to make ZnSe white LEDs (англ.) (December 6, 2002). Архивировано из первоисточника 27 октября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
45. , p. 426

Литература

• Шуберт Ф.Е. Светодиоды. - М .: Физматлит, 2008. - 496 с. - ISBN 978-5-9221-0851-5
• Вейнерт Д. Светодиодное освещение: Справочник . - Philips, 2010. - 156 с. - ISBN 978-0-615-36061-4

Ссылки

• Сайт департамента энергетики США о светодиодном освещении
• Led Professional. Научно-технический журнал о светодиодах и светодиодном освещении, Австрия
• LEDs Magazine. Научно-технический журнал о светодиодах и светодиодном освещении. США
• Полупроводниковая светотехника. Российский журнал о светодиодах и светодиодном освещении

Интенсивность фотосинтеза под красным светом максимальна, но под одним только красным растения гибнут либо их развитие нарушается. Например, корейские исследователи показали, что при освещении чистым красным масса выращенного салата больше, чем при освещении сочетанием красного и синего, но в листьях значимо меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. А биофак МГУ установил, что в листьях китайской капусты под узкополосным красным и синим светом (по сравнению с освещением натриевой лампой) снижается синтез сахаров, угнетается рост и не происходит цветения.

Рис. 1 Леанна Гарфилд, Tech Insider - Aerofarms

Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

В чем оценивать энергетическую эффективность светильника?

Основные метрики оценки энергетической эффективности фитосвета:

• Photosynthetic Photon Flux (PPF ), в микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов света в диапазоне 400–700 нм, которые излучил светильник, потребивший 1 Дж электроэнергии.
• Yield Photon Flux (YPF ), в эффективных микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов на 1 Дж электроэнергии, с учетом множителя - кривой McCree .

Эффективность ДНаТ

Крупные агрохозяйства с огромным опытом, считающие деньги, до сих пор используют натриевые светильники. Да, они охотно соглашаются повесить над опытными грядками предоставляемые им светодиодные светильники, но не согласны за них платить.

Из рис. 2 видно, что эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF для натриевого светильника 600–1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Натриевые светильники 70–150 Вт имеют в полтора раза меньшую эффективность.

Любой светодиодный светильник, имеющий эффективность 1,5 эфф. мкмоль/Вт и приемлемую цену, можно считать достойной заменой натриевого светильника.

Сомнительная эффективность красно-синих фитосветильников

В этой статье не приводим спектров поглощения хлорофилла потому, что ссылаться на них в обсуждении использования светового потока живым растением некорректно. Хлорофилл invitro , выделенный и очищенный, действительно поглощает только красный и синий свет. В живой клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу. Энергетическая эффективность света в листе определяется кривой «McCree 1972 » (рис. 3).

Отметим: максимальная эффективность в красном диапазоне раза в полтора выше, чем минимальная - в зеленом. А если усреднить эффективность по сколько-нибудь широкой полосе, разница станет еще менее заметной. На практике перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда, наоборот, усиливает. Зеленый свет проходит через толщу листьев на нижние ярусы, эффективная листовая площадь растения резко увеличивается, и урожайность, например, салата повышается .

Освещение растений белыми светодиодами

Энергетическая целесообразность освещения растений распространенными светодиодными светильниками белого света исследована в работе .

Характерная форма спектра белого светодиода определяется:

• балансом коротких и длинных волн, коррелирующим с цветовой температурой (рис. 4, слева);
• степенью заполненности спектра, коррелирующей с цветопередачей (рис. 4, справа).

Различия в спектре белых диодов с одной цветопередачей и одной цветовой температуры едва уловимы. Следовательно, мы можем оценивать спектрозависимые параметры всего лишь по цветовой температуре, цветопередаче и световой эффективности - параметрам, которые написаны у обычного светильника белого света на этикетке.

Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов следующие:

1. В спектре всех белых светодиодов даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, крайне мало дальнего красного (рис. 5).

В естественных условиях затененное пологом чужой листвы растение получает больше дальнего красного, чем ближнего, что у светолюбивых растений запускает «синдром избегания тени» - растение тянется вверх. Помидорам, например, на этапе роста (не рассады!) дальний красный необходим, чтобы вытянуться, увеличить рост и общую занимаемую площадь, а следовательно, и урожай в дальнейшем.

Соответственно, под белыми светодиодами и под натриевым светом растение чувствует себя как под открытым солнцем и вверх не тянется.

2. Синий свет нужен для реакции «слежение за солнцем» (рис. 6).

Рис. 6. Фототропизм - разворот листьев и цветов, вытягивание стеблей на синюю компоненту белого света (иллюстрация из «Википедии»)

В одном ватте потока белого светодиодного света 2700 К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если нужно, например, декоративные цветы развернуть в сторону людей, их следует подсветить с этой стороны интенсивным холодным светом, и растения развернутся.

3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5 % может быть определена по формуле:

где - световая отдача в лм/Вт, - общий индекс цветопередачи, - коррелированная цветовая температура в градусах Кельвина.

Примеры использования этой формулы:

А. Оценим для основных значений параметров белого света, какова должна быть освещенность, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить, например, 300 эфф. мкмоль/с/м2:

Б. Оценим применимость типичного светодиодного светильника общего назначения для выращивания микрозелени.

Пусть светильник размером 0,6 × 0,6 м потребляет 35 Вт, имеет цветовую температуру 4000 К , цветопередачу Ra = 80 и световую отдачу 120 лм/Вт. Тогда его эффективность составит YPF = (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) эфф. мкмоль/Дж = 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Что при умножении на потребляемые 35 Вт составит 52,5 эфф. мкмоль/с.

Если такой светильник опустить достаточно низко над грядкой микрозелени площадью 0,6 × 0,6 м = 0,36 м 2 и тем самым избежать потерь света в стороны, плотность освещения составит 52,5 эфф. мкмоль/с / 0,36м 2 = 145 эфф. мкмоль/с/м 2 . Это примерно вдвое меньше обычно рекомендуемых значений. Следовательно, мощность светильника необходимо также увеличить вдвое.

Прямое сравнение фитопараметров светильников разных типов

Сравним фитопараметры обычного офисного потолочного светодиодного светильника, произведенного в 2016 году, со специализированными фитосветильниками (рис. 7).

Видно, что обычный светильник общего освещения со снятым рассеивателем при освещении растений по энергетической эффективности не уступает специализированной натриевой лампе. Видно также, что фитосветильник красно-синего света (производитель намеренно не назван) сделан на более низком технологическом уровне, раз его полный КПД (отношение мощности светового потока в ваттах к мощности, потребляемой из сети) уступает КПД офисного светильника. Но если бы КПД красно-синего и белого светильников были одинаковы, то фитопараметры тоже были бы примерно одинаковы!

Также по спектрам видно, что красно-синий фитосветильник не узкополосен, его красный горб широк и содержит гораздо больше дальнего красного, чем у белого светодиодного и натриевого светильника. В тех случаях, когда дальний красный необходим, использование такого светильника как единственного или в комбинации с другими вариантами может быть целесообразно.

Оценка энергетической эффективности осветительной системы в целом:

Рис. 8. Аудит системы фитоосвещения

Следующая модель UPRtek - спектрометр PG100N по заявлению производителя измеряет микромоли на квадратный метр, и, что важнее, световой поток в ваттах на квадратный метр.

Измерять световой поток в ваттах - превосходная функция! Если умножить освещаемую площадь на плотность светового потока в ваттах и сравнить с потреблением светильника, станет ясен энергетический КПД осветительной системы. А это единственный на сегодня бесспорный критерий эффективности, на практике для разных осветительных систем различающийся на порядок (а не в разы или тем более на проценты, как меняется энергетический эффект при изменении формы спектра).

Примеры использования белого света

Описаны примеры освещения гидропонных ферм и красно-синим, и белым светом (рис. 9).

Достаточно известна система ферм Aerofarms (рис. 1, 10), самая большая из которых построена рядом с Нью-Йорком. Под белыми светодиодными лампами в Aerofarms выращивают более 250 видов зелени, снимая свыше двадцати урожаев в год.

Прямые эксперименты по сравнению белого и красно-синего светодиодного освещения
Опубликованных результатов прямых экспериментов по сравнению растений, выращенных под белыми и красно-синими светодиодами, крайне мало. Например, мельком такой результат показала МСХА им. Тимирязева (рис. 11).

Пекинский университет авиации и космонавтики в 2014 году опубликовал результаты большого исследования пшеницы, выращенной под светодиодами разных типов . Китайские исследователи сделали вывод, что целесообразно использовать смесь белого и красного света. Но если посмотреть на цифровые данные из статьи (рис. 12), замечаешь, что разница параметров при разных типах освещения отнюдь не радикальна.

Однако основным направлением исследований сегодня является исправление недостатков узкополосного красно-синего освещения добавлением белого света. Например, японские исследователи выявили увеличение массы и питательной ценности салата и томатов при добавлении к красному свету белого. На практике это означает, что, если эстетическая привлекательность растения во время роста неважна, отказываться от уже купленных узкополосных красно-синих светильников необязательно, светильники белого света можно использовать дополнительно.

Влияние качества света на результат

Фундаментальный закон экологии «бочка Либиха» (рис. 13) гласит: развитие ограничивает фактор, сильнее других отклоняющийся от нормы. Например, если в полном объеме обеспечены вода, минеральные вещества и СО 2 , но интенсивность освещения составляет 30 % от оптимального значения - растение даст не более 30 % максимально возможного урожая.

Рис. 13. Иллюстрация принципа ограничивающего фактора из обучающего ролика на YouTube

Реакция растения на свет: интенсивность газообмена, потребления питательных веществ из раствора и процессов синтеза - определяется лабораторным путем. Отклики характеризуют не только фотосинтез, но и процессы роста, цветения, синтеза необходимых для вкуса и аромата веществ.

На рис. 14 показана реакция растения на изменение длины волны освещения. Измерялась интенсивность потребления натрия и фосфора из питательного раствора мятой, земляникой и салатом. Пики на таких графиках - признаки стимулирования конкретной химической реакции. По графикам видно что исключить из полного спектра ради экономии какие-то диапазоны, - все равно что удалить часть клавиш рояля и играть мелодию на оставшихся.

Принцип ограничивающего фактора можно распространить на отдельные спектральные составляющие - для полноценного результата в любом случае нужен полный спектр. Изъятие из полного спектра некоторых диапазонов не ведет к значимому росту энергетической эффективности, но может сработать «бочка Либиха» - и результат окажется отрицательным.
Примеры демонстрируют, что обычный белый светодиодный свет и специализированный «красно-синий фитосвет» при освещении растений обладают примерно одинаковой энергетической эффективностью. Но широкополосный белый комплексно удовлетворяет потребности растения, выражающиеся не только в стимуляции фотосинтеза.

Убирать из сплошного спектра зеленый, чтобы свет из белого превратился в фиолетовый, - маркетинговый ход для покупателей, которые хотят «специального решения», но не выступают квалифицированными заказчиками.

Корректировка белого света

Наиболее распространенные белые светодиоды общего назначения имеют невысокую цветопередачу Ra = 80, что обусловлено нехваткой в первую очередь красного цвета (рис. 4).

Недостаток красного в спектре можно восполнить, добавив в светильник красные светодиоды. Такое решение продвигает, например , CREE . Логика «бочки Либиха» подсказывает, что такая добавка не повредит, если это действительно добавка, а не перераспределение энергии из других диапазонов в пользу красного.

Интересную и важную работу проделал в 2013–2016 годах ИМБП РАН : там исследовали, как влияет на развитие китайской капусты добавление к свету белых светодиодов 4000 К / Ra = 70 света узкополосных красных светодиодов 660 нм.

И выяснили следующее:

• Под светодиодным светом капуста растет примерно так же, как под натриевым, но в ней больше хлорофилла (листья зеленее).
• Cухая масса урожая почти пропорциональна общему количеству света в молях, полученному растением. Больше света - больше капусты.
• Концентрация витамина С в капусте незначительно повышается с ростом освещенности, но значимо увеличивается с добавлением к белому свету красного.
• Значимое увеличение доли красной составляющей в спектре существенно повысило концентрацию нитратов в биомассе. Пришлось оптимизировать питательный раствор и вводить часть азота в аммонийной форме, чтобы не выйти за ПДК по нитратам. А вот на чисто-белом свету можно было работать только с нитратной формой.
• При этом увеличение доли красного в общем световом потоке почти не влияет на массу урожая. То есть восполнение недостающих спектральных компонент влияет не на количество урожая, а на его качество.
• Более высокая эффективность в молях на ватт красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому эффективно еще и энергетически.

Варианты обогащения спектра красным светом

Растение не знает, откуда к нему прилетел квант из спектра белого света, а откуда - «красный» квант. Нет необходимости делать специальный спектр в одном светодиоде. И нет необходимости светить красным и белым светом из одного какого-то специального фитосветильника. Достаточно использовать белый свет общего назначения и отдельным светильником красного света освещать растение дополнительно. А когда рядом с растением находится человек, красный светильник можно по датчику движения выключать, чтобы растение выглядело зеленым и симпатичным.

Но оправданно и обратное решение - подобрав состав люминофора, расширить спектр свечения белого светодиода в сторону длинных волн, сбалансировав его так, чтобы свет остался белым. И получится белый свет экстравысокой цветопередачи, пригодный как для растений, так и для человека.

Открытые вопросы

Можно выявлять роль соотношения дальнего и ближнего красного света и целесообразность использования «синдрома избегания тени» для разных культур. Можно спорить, на какие участки при анализе целесообразно разбивать шкалу длин волн.

Можно обсуждать - нужны ли растению для стимуляции или регуляторной функции длины волн короче 400 нм или длиннее 700 нм. Например, есть частное сообщение, что ультрафиолет значимо влияет на потребительские качества растений. В числе прочего краснолистные сорта салата выращивают без ультрафиолета, и они растут зелеными, но перед продажей облучают ультрафиолетом, они краснеют и отправляются на прилавок. И корректно ли новая метрика PBAR (plant biologically active radiation ), описанная в стандарте ANSI/ASABE S640 , Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms , предписывает учитывать диапазон 280–800нм.

Заключение

Сетевые магазины выбирают более лежкие сорта, а затем покупатель голосует рублем за более яркие плоды. И почти никто не выбирает вкус и аромат. Но как только мы станем богаче и начнем требовать большего, наука мгновенно даст нужные сорта и рецепты питательного раствора.

А чтобы растение синтезировало все, что для вкуса и аромата нужно, потребуется освещение со спектром, содержащим все длины волн, на которые растение прореагирует, т. е. в общем случае сплошной спектр. Возможно, базовым решением будет белый свет высокой цветопередачи.

Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в подготовке статьи сотруднику ГНЦ РФ-ИМБП РАН к. б. н. Ирине Коноваловой; руководителю проекта «Фитэкс» Татьяне Тришиной; специалисту компании CREE Михаилу Червинскому

Литература

Литература
1. Son K-H, Oh M-M. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes // Hortscience. – 2013. – Vol. 48. – P. 988-95.
2. Ptushenko V.V., Avercheva O.V., Bassarskaya E.M., Berkovich Yu A., Erokhin A.N., Smolyanina S.O., Zhigalova T.V., 2015. Possible reasons of a decline in growth of Chinese cabbage under acombined narrowband red and blue light in comparison withillumination by high-pressure sodium lamp. Scientia Horticulturae https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.08.021
3. Sharakshane A., 2017, Whole high-quality light environment for humans and plants. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2017.07.001
4. C. Dong, Y. Fu, G. Liu & H. Liu, 2014, Growth, Photosynthetic Characteristics, Antioxidant Capacity and Biomass Yield and Quality of Wheat (Triticum aestivum L.) Exposed to LED Light Sources with Different Spectra Combinations
5. Lin K.H., Huang M.Y., Huang W.D. et al. The effects of red, blue, and white light-emitting diodes on the growth, development, and edible quality of hydroponically grown lettuce (Lactuca sativa L. var. capitata) // Scientia Horticulturae. – 2013. – V. 150. – P. 86–91.
6. Lu, N., Maruo T., Johkan M., et al. Effects of supplemental lighting with light-emitting diodes (LEDs) on tomato yield and quality of single-truss tomato plants grown at high planting density // Environ. Control. Biol. – 2012. Vol. 50. – P. 63–74.
7. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., О.С. Яковлева, А.И. Знаменский, И.Г. Тараканов, С.Г. Радченко, С.Н. Лапач. Обоснование оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 4.
8. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Оптимизация светодиодной системы освещения витаминной космической оранжереи. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 3.
9. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Смолянина С.О., Помелова М.А., Ерохин А.Н., Яковлева О.С., Тараканов И.Г. Влияние параметров светового режима на накопление нитратов в надземной биомассе капусты китайской (Brassica chinensis L.) при выращивании со светодиодными облучателями. Агрохимия. 2015. № 11.

Светодиоды стали очень популярным источником света в последнее десятилетие. Они пришла на замену компактным люминесцентным лампам (КЛЛ) или, как их называют в народе — энергосберегайкам. Тогда и началась эра светодиодного освещение для человека.

Энергосберегающие лампы представляли относительную опасность, из-за содержащихся в их колбе паров ртути. В случае её разрушения, есть риск получить серьезный вред для вашего здоровья, вплоть до летального исхода. Мы же разберем – вредны ли светодиодные лампы для человека?

Источники вреда для здоровья

Чтоб доказать или опровергнуть вред светодиодных ламп для здоровья, определим источники ущерба для организма. Условно разделим их на 2 группы: характеристики прибора и неправильная эксплуатация.

Характеристики осветительного прибора, которые наносят вред организму:

• Спектральные характеристики источника света;
• излучения в инфракрасном спектре;
• пульсации светового потока.

Вторая группа, это вред здоровью не от самого источника света, а от неправильного его использования. Давайте рассмотрим каждый фактор освещения, который влияет на ваше здоровье и определимся, вреден ли светодиодный свет для глаз.

Чем отличаются источники света

За эталон нужно принять солнечный свет, поскольку он содержит наиболее полный спектр светового излучения. Из всех искусственных осветительных приборов, наиболее приближена к солнцу лампочка накаливания. Сравните спектральные характеристики разных источников.

На графиках изображены различные спектры осветительных приборов. Лампа накаливания имеет гладкий спектр, возрастающий к области красных цветов. Спектр люминесцентных источников света довольно рваный, плюс низкий индекс цветопередачи (около 70).

Работа в помещениях с таким освещением вызывает повышенную усталость и головные боли, а также искаженное восприятие цвета.

Спектр светодиодных ламп более полный и ровный. Имеет повышенную интенсивность в области длин волн 450нм, для холодного свечения, и в области 600нм, для «тёплых» ламп соответственно. LED источники обеспечивают нормальную цветопередачу с индексом CRI более 80. Светодиодные лампы имеют крайне низкую интенсивность ультрафиолетового излучения .

Если сравнить спектр диодных и популярных люминесцентных ламп, становится понятно почему последние используются все реже. Спектр КЛЛ совершенно далеки от эталона, а их индекс цветопередачи оставляет желать лучшего.

На основании этого можно сделать вывод, что по характеристикам спектра светодиодные лампы безвредны для здоровья.

Почему лампы мерцают?

Следующий фактор, который влияет на самочувствие – это коэффициент пульсаций светового потока. Чтобы понять, что это такое и от чего он зависит нужно рассмотреть форму напряжения в электросети.

Качество света и его пульсация зависят от источника питания, от которого они работают. Источники света, которые работают от постоянного напряжения, например светодиодные лампы на 12 вольт, не мерцают. Давайте рассмотрим мерцание и вред светодиодных ламп для глаз, причины их возникновения и способы устранения.

Из розетки мы получаем переменное напряжение с действующим значением 220В и 310В амплитудным, что вы можете видеть на верхнем графике (а).

Поскольку светодиоды питаются постоянным током, а не переменным – нужно его выпрямить. В корпусе светодиодной лампы размещена электронная схема с одно- или двухполупериодным выпрямителем, после которого напряжение становится однополярным. Оно постоянное по знаку, но не по величине, т.е. пульсирующим от 0 до 310 вольт, график посередине (б).

Такие лампы пульсируют с частотой 100 герц или 100 раз в секунду, в такт с пульсациями напряжения. Вред для глаз светодиодных ламп зависит от их качества, об этом далее.

Пульсируют ли светодиоды?

В светодиодных лампах используются драйвера со стабилизацией тока по величине (дорого), или сглаживающие фильтры (дешево). Напряжение становится постоянным и стабилизированным, если использованы емкостные фильтры.

Если производитель не сэкономил на драйвере – стабильным становится значение тока. Это лучший вариант как для уменьшения пульсации, так и для срока службы LED.

На фото ниже показано как выглядят пульсации взглядом камеры. Вы можете не замечать пульсации, поскольку органы зрения стремятся адаптировать картинку для восприятия. Мозг же эти пульсации прекрасно усваивает, что и вызывает усталость и другие побочные явления.

Влияние светодиодных ламп на зрение человека может быть негативным, если они выдают пульсирующий световой поток. Санитарные нормы ограничивают глубину пульсаций для офисных помещений на значении 20%, а для мест где ведется работа вызывающая зрительное напряжение и вовсе 15%.

Лампы с большими пульсациями не стоит устанавливать дома, они годятся разве что для освещения коридора, кладовой, подъездов и хозяйственных помещений. Любые помещения, где вы не выполняете никакой зрительной работы и не находитесь долго.

Вред от светодиодных ламп низкого ценового сегмента вызван в первую очередь пульсациями. Не экономьте на освещении, LED с нормальным драйвером стоит всего на 50-100 рублей дороже, чем самые дешевые китайские аналоги.

Другие источники света и их пульсации

Лампы накаливания не мерцают потому, что работают от переменного тока и нить накала не успевает остыть когда величина напряжения пересекает нулевую отметку. Люминесцентные трубчатые лампы мерцают, если подключены по старой «дроссельной» схем. Отличить её можно по характерному гулу дросселя во время работы. На фото ниже изображены пульсации растрового светильника, как их видит камера телефона.

Современнее КЛЛ и ЛЛ не гудят и не мерцают только потому, что в их схеме используется импульсный блок питания высокой частоты. Такой источник питания называется ЭПРА (электронная пускорегулирующая аппаратура или устройство).

Вред инфракрасного спектра

Чтоб определить вредны ли светодиодные лампы для зрения, рассмотрим третий фактор вреда – инфракрасное излучение. Стоит отметить, что:

• Во-первых, вредность ИК спектра сомнительна и не имеет основательной аргументации;
• во-вторых, в спектре светодиодов инфракрасное излучение либо отсутствует, либо крайне мало. Убедиться можно на графиках, приведенных в начале статьи.

Вредны ли галогеновые лампы для здоровья? В источниках света, богатых инфракрасным спектром (галогенки), ответственные производители (Philips, Osram и пр.) применяют ИК-светофильтры, поэтому их вред для здоровья сведен к минимуму.

Вред синего спектра

Научно доказано, что излучение в спектре синего цвета уменьшает выработку гормона сна – мелатонина и вредит сетчатке, вызывая в ней необратимые изменения.

Кроме падения уровня мелатонина, излучение синего цвета вызывает целый ряд побочных эффектов: усталость, повышенное зрительное напряжение, заболевание глаз. Этот цвет воспринимается ярче, что часто используется в маркетинге, для привлечения нашего внимания. Большинство индикаторов на колонках, ТВ, мониторах и пр. технике выполнены в синем цвете.

Подробно об этом и насколько безопасны светодиодные лампы для глаз, пишут в сообществе .

Белые светодиоды – это синие светодиоды, покрытые специальным люминофором, который преобразует излучение в белый цвет.

Синий цвет — самый отрицательный фактор влияния светодиодных ламп на зрение. Взгляните на графики, а именно на спектр излучения светодиодов, представленный выше. Даже на Led лампе тёплого света есть пик яркости в синем спектре, а у холодной он очень высокий.

Практическая сторона проблемы

Значит вред светодиодных ламп для человека – это не миф? Не совсем так. Дело в том, что исследования проводились в условиях, когда исследуемые образцы засвечивались мощными синими светодиодами и весь их спектр был во «вредном» диапазоне.

Хоть в холодных светодиодах доля синего света и присутствует, но в солнечном свете она ничуть не меньше.

Современные люди любого возраста проводят очень много времени перед экраном компьютеров, смартфонов и планшетов. Несравнимо больший вред наносит зрению непрерывная фокусировка на расстоянии 0,3-1 метр от экрана.

Вредность синего спектра светодиодных ламп, по сравнению с вредом от экранов устройств, незначительна. Для освещения комнаты, рабочего кабинета и других помещений потоком яркого света, с низким энергопотреблением, LED подходит идеально.

Если же вы переживаете, для снижения вреда синего излучения разработаны различные варианты линз и очков для работы за компьютером. Их светофильтры отражают свет в синем диапазоне и делают цвета более тёплыми.

Нужно помнить : не светодиоды вредны для здоровья человека, а неправильный режим работы с гаджетами и плохая освещенность.

Светодиоды — польза или вред?

Понять вредны светодиодные лампы или нет, можно занимаясь организацией правильного освещения согласно . В нем регламентируется количество света, для проведения работ разной точности и размера деталей, с которыми вы оперируете во время работы.

Светодиодные источники света позволяют добиться нужной яркости на рабочем месте, с минимальными счетами за электричество. Вы сохраните зрение, вам будет легче работать, когда в комнате светло и не нужно разглядывать мелкие детали в тусклом свете. В таком случае вредность светодиодных ламп для глаз минимальна.

Высокое энергопотребление старых ламп накаливания не выгодно как в государственных масштабах (большая нагрузка на ЛЭП), так и в индивидуальном (большое потребление и высокая цена электроэнергии).

Сегодня споры о том вредны ли светодиодные лампы для зрения, остаются открытыми и нельзя дать однозначный ответ. Они относительно недавно, менее 10 лет, заполнили рынок осветительных приборов и многие относятся к ним скептически.

Влияние светодиодных ламп на здоровье человека при правильном соблюдении режима дня, сна и работы будет нулевым. Если же человек подвержен стрессам, чрезмерным нагрузкам и несерьезно относится к качеству сна — ни один источник света не сохранит его здоровье.

Польза LED в быту

Кроме бытовых применений вы можете сэкономить на искусственном освещении теплицы. Спектр позволяет вашему урожаю расти быстрее и лучше. Для этого часто применяют лампы ДНАТ, свет которых содержит различные длины волн.

Счет мощностей таких источников света ведется на сотни ватт, тогда как светодиодные фитолампы имеют мощность в десятки раз меньше и содержат только необходимые длины волн, для лучшего роста растений.

Хоть и цены с 2011 по 2017 год снизились примерно в 10 раз, все равно цена одной светодиодной лампы эквивалентом 100 Вт накаливания остаётся на уровне 10 ламп накаливания, что останавливает многих потребителей перед покупкой.

Для экологии отказ от газоразрядных светильников – безусловный плюс, об этом мы писали в статье об . Но какую опасность несут светодиодные лампы для здоровья до конца еще не известно. Ясно только то, что паров ртути можно уже не боятся.

Применение новых источников света широким кругом людей, позволяет разработчикам получать финансы для новых более совершенных проектов. А технологический прогресс всегда идёт вперед. Поэтому нужно ждать статистики, тогда станет известно насколько сильный вред от светодиодных ламп для здоровья, а на это нужно время.