Полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространённая 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 жёлтого и зелёного цвета свечения. Световой выход этих, в то время ещё малоэффективных, устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен . В 1993 году Сюдзи Накамура , инженер компании Nichia (Япония), создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB-устройства, поскольку синий, красный и зелёный 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 световая отдача светодиодов достигла значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и ставшими уже традиционными люминесцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, во внутреннем и уличном освещении .

RGB-светодиоды

Белый свет может быть создан путём 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 световая отдача каждого чипа неизвестна заранее и подвержена 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 путём 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 световой отдачи и цвета от температуры за счёт 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

Комбинирование синего (чаще), фиолетового или ультрафиолетового (не используются в массовой продукции) полупроводникового излучателя и люминофорного конвертера позволяет изготовить недорогой источник света с неплохими характеристиками. Самая распространённая 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-сине-зелёного цвета.

В зависимости от состава люминофора выпускаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»). Путём комбинирования различных типов люминофоров достигается значительное увеличение индекса цветопередачи (CRI или R a) . На 2017 год уже существуют светодиодные панели для фото- и киносъёмки, где цветопередача критична, но такое оборудование дорого, а производители - единичны.

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 объёме 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 светоотдачи до 70 % от первоначального значения (L70) . То есть, светодиод, яркость которого в процессе эксплуатации снизилась 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 отдаёт 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 определённой 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 безызлучательной 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 отделён 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

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 световая отдача , то есть световой выход с каждого ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 190 лм/Вт . Теоретический предел технологии оценивается более чем в 300 лм/Вт . При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счёт 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 повышается [ ] . 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. Этому есть три причины [ ] : первая связана с тем, что разница между энергией падающего и излученного квантов при флюоресценции теряется (переходит в тепло), и в случае ультрафиолетового возбуждения она значительно больше. Вторая причина - в том, что часть УФ излучения, не поглощенная люминофором, не участвует в создании светового потока, в отличие от светодиодов на основе синего излучателя, а увеличение толщины люминофорного покрытия приводит к повышению поглощения в нём света люминесценции. И наконец, КПД ультрафиолетовых светодиодов значительно ниже КПД синих.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

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

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 Архивировано 22 ноября 2012 года.
3. Светодиоды VLMx51 компании Vishay, содержащие красный, оранжевый, жёлтый и белый излучатели (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
4. Многоцветные светодиоды XB-D и XM-L компании Cree (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
5. Светодиоды XP-C компании Cree, содержащие шесть монохроматических излучателей (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
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. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
11. Сян Лин Ун (Siang Ling Oon). Светодиодные решения для систем архитектурной подсветки // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2010. - № 5 . - С. 18-20 .
12. Светодиоды RGB для использования в электронных табло (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
13. High CRI LED Lighting | Yuji LED (неопр.) . yujiintl.com. Дата обращения 3 декабря 2016.
14. Туркин А. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии: журнал. - 2011. - № 5 .
15. Светодиоды с высокими значениями CRI (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
16. Технология EasyWhite компании Cree (англ.) . LEDs Magazine. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
17. 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 .
18. Никифоров С. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным // Компоненты и технологии: журнал. - 2006. - № 3 .
19. Светодиоды с матричным расположением большого количества полупроводниковых чипов (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
20. Срок службы белых светодиодов Архивировано 22 ноября 2012 года.
21. Виды дефектов LED и методы анализа (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
22. , p. 61, 77-79.
23. Светодиоды компании SemiLEDs (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
24. GaN-on-Si Программа исследований светодиодов на кремниевой основе (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012.
25. Технология изолированного люминофора компании Cree (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
26. Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2011. - № 5 . - С. 28-33 .
27. 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 .
28. , p. 424.
29. Отражатели для светодиодов на основе фотонных кристаллов (англ.) . Led Professional. Дата обращения 16 февраля 2013. Архивировано 13 марта 2013 года.
30. XLamp XP-G3
31. Белые светодиоды с высоким световым выходом для нужд освещения (англ.) . Phys.Org™. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
32. Cree First to Break 300 Lumens-Per-Watt Barrier (англ.) . www.cree.com. Дата обращения 31 мая 2017.
33. Основы светодиодного освещения (англ.) . U.S. Department of Energy. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
34. Шаракшанэ А. Шкалы оценки качества спектрального состава света - CRI и CQS // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2011. - № 4 .
35. Ультрафиолетовые светодиоды SemiLED с длиной волны 390-420 нм. (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
36. , p. 4-5.

Но вырастить цветы в условиях нашей зимы не просто. Расскажу о том, что помогает в выращивании растений - специальном свете, фитолампах.

С праздников весны, милые дамы! Какой же весенний праздник без цветов?

Про самодельные лампы для растений я написал уже несколько статей



Сейчас расскажу о специальных светодиодах для растений с «полным спектром»
Процесс сильно зависит от спектра света.


Поэтому эффективнее использовать свет, максимально приближенный к 445нм и 660нм. Также рекомендуют добавлять еще и инфракрасный светодиод. Про все это сломано не мало копий на соответственных форумах. Не буду теоретизировать, перейду к практике. На этот раз на просторах АЛИ я приобрел 3-х ваттные светодиоды для растений с «полным спектром».

Характеристики товара

• Мощность: 3 Вт (есть 1 Вт в том же лоте)
• Рабочий ток: 700мА
• Рабочее напряжение: 3.2-3.4В
• Производитель чипа: Epistar Chip
• Размер чипа: 45mil
• Спектр: 400нм-840нм
• Сертификаты: CE, RoHS,
• Срок жизни: 100 000 ч
• Назначение: лампы для растений

Цена на светодиоды довольно привлекательная.
Упаковка очень простая.




По виду светодиод похож на своих холодных и тепло белых братьев.




Упаковка осталась от ранее использованных светодиодов.

Тестирование светодиодов

Для начала, проверка мощности и снятие вольт-амперной характеристики
Компьютерный блок питания, используемый мной как лабораторный и старый добрый ПЭВР-25, олицетворяющий великую эпоху)))


Измерение тока/напряжения простейшим приборчиком, так как особой точности здесь не требуется. Ну и радиатор, чтобы не перегреть светодиод, пока буду над ним издеваться. Дополнительно измерил освещенность в каждом режиме на расстоянии примерно 15-20 см для оценки эффективности свечения при разных токах.

Мощность светодиода довел до 7.5Вт, думал помрет, а нет, выжил!


Посмотрим что дает график напряжения и освещенности от тока.


Напряжение меняется довольно линейно. Никаких признаков деградации кристалла на токе 1.5А. С освещенностью все интереснее. Примерно после 500мА зависимость освещенности от тока снижается. Делаю вывод, что 500-600мА - самый эффективный режим работы с этим светодиодом, хотя он вполне будет работать на своих паспортных 700мА.

Спектральный анализ

Для спектрального анализа взял попользоваться спектроскоп

В одну трубку светим исследуемым источником, в другую, подсвечиваем шкалу. В окуляр смотрим готовый спектр


К сожалению, данный экземпляр спектроскопа не имеет специальной насадки для фотографирования. Картинка визуально очень красивая никак не хотела получаться в компьютере. Пробовал и разные фотоаппараты, и телефоны и планшет. В результате остановился на , с помощью которого кое как удалось снять картинки спектра. Цифры шкалы дорисовывал в редакторе, так как камера никак не хотела нормально фокусироваться.


Вот что у меня в результате получилось
Солнечный спектр

Люминисцентная настольная лампа
Четко видны спектральные линии ртути

В качестве радиатора использую П-образный 30мм алюминиевый профиль. На 1м профиля 10 светодиодов (порядка 20Вт). При постоянной работе такая лампа нагревается не более 45С.

Корпуса для драйверов я делаю из электротехнического кабель канала.

Для приклеивания светодиодов к профилю использую казанский герметик, хотя подошел бы и термоклей.

Потом соединяю все проводками, контакты изолирую термоусадкой

Теперь драйвер и фитолампа готова

Пару часов прогона показывает, что тепловой расчет сделан правильно и перегрева не будет даже при длительной работе

Свет у лампы мягче, чем у раздельных светодиодов 440нм и 660нм. Она меньше слепит глаза.

Пора подвести итоги

Светодиоды с «полным спектром» вполне оправдывают свое назначение и годятся для изготовления фитоламп.

Заявленная мощность и спектр соответствуют заявленным характеристикам, хотя инфракрасную состовляющую проверить не удалось.

Нужный спектр в таких светодиодах достигается специальным люминофором, поэтому конструктив самих диодов может быть любым. Можно брать мощные матрицы на 20Вт и выше для использования в теплицах. Для подсветки рассады и комнатных растений вполне достаточно этих светодиодов.

Выходной контроль пройден!

Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: . Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан .

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

• белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат . Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.

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 .

PPF всегда получается немного выше, чем YPF (кривая McCree нормирована на единицу и в большей части диапазона меньше единицы), поэтому первую метрику выгодно использовать продавцам светильников. Вторую метрику выгоднее использовать покупателям, так как она более адекватно оценивает энергетическую эффективность.

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.

Рис. 2. Типичный спектр натриевой лампы для растений (слева) . Эффективность в люменах на ватт и в эффективных микромолях серийных натриевых светильников для теплиц марок Cavita , E-Papillon , «Галад» и «Рефлакс» (справа)

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).

Рис. 3. V (λ) - кривая видности для человека; RQE - относительная квантовая эффективность для растения (McCree 1972); σ r и σ fr - кривые поглощения фитохромом красного и дальнего красного света; B (λ) - фототропическая эффективность синего света

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).

Рис. 4. Спектры белого светодиодного света с одной цветопередачей, но разной цветовой температурой КЦТ (слева) и с одной цветовой температурой и разной цветопередачей R a (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).

Рис. 5. Спектр белого светодиодного (LED 4000K R a = 90) и натриевого света (HPS ) в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B ), красному (A_r ) и дальнему красному свету (A_fr )

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:

Видно, что применение теплого белого света высокой цветопередачи позволяет использовать несколько меньшие освещенности. Но если учесть, что световая отдача светодиодов теплого света с высокой цветопередачей несколько ниже, становится понятно, что подбором цветовой температуры и цветопередачи нельзя энергетически значимо выиграть или проиграть. Можно лишь скорректировать долю фитоактивного синего или красного света.

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).

Рис. 7. Сравнительные параметры типичного натриевого светильника 600Вт для теплиц, специализированного светодиодного фитосветильника и светильника для общего освещения помещений

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).

Рис. 9. Слева направо и сверху вниз фермы: Fujitsu , Sharp , Toshiba , ферма по выращиванию лекарственных растений в Южной Калифорнии

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.

Рис. 10. Ферма Aerofarms в Нью-Джерси («Штат садов») на границе с Нью-Йорком

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).

Рис. 11. В каждой паре растение слева выращено под белыми светодиодами, справа - под красно-синими (из презентации И. Г. Тараканова, кафедра физиологии растений МСХА им. Тимирязева)

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.

Рис 12. Значения исследуемых факторов в двух фазах роста пшеницы под красными, красно-синими, красно-белыми и белыми светодиодами

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.

Рис. 14. Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом (данные предоставлены компанией Фитэкс)

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.

Таким образом, добавление красного к белому целесообразно в частном случае китайской капусты и вполне возможно в общем случае. Конечно, при биохимическом контроле и правильном подборе удобрений для конкретной культуры.

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.

Массовое появление светодиодных ламп на прилавках хозяйственных магазинов, визуально напоминающих лампу накаливания (цоколь Е14, Е27), привело к появлению дополнительных вопросов среди населения о целесообразности их применения. Рекламодатели заявляют о небывалых энергетических показателях, рабочем ресурсе в несколько десятков лет и мощнейшем световом потоке инновационных источников света. Исследовательские центры, в свою очередь, выдвигают теории и преподносят факты, свидетельствующие о вреде светодиодных ламп. Как далеко шагнули осветительные технологии, и что скрывает обратная сторона медали под названием «светодиодное освещение»?

Что правда, а что вымысел?

Несколько лет использования светодиодных ламп позволило учёным сделать первые выводы об их истинной эффективности и безопасности. Оказалось, что такие яркие источники света, как светодиодные лампы также имеют свои «тёмные стороны». Негатива добавили китайские коллеги, которые, в очередной раз, наводнили рынок некачественной продукцией. Какому освещению отдать предпочтение, чтобы в погоне за энергоэффективностью не ухудшить зрение? В поисках компромиссного решения придётся ближе познакомиться со светодиодными лампами.

В конструкции имеются вредные вещества

Чтобы убедиться в экологичности светодиодной лампы, достаточно вспомнить из каких деталей она состоит.
Её корпус выполнен из пластика и стального цоколя. В мощных образцах по окружности расположен радиатор из алюминиевого сплава. Под колбой закреплена печатная плата со светоизлучающими диодами и радиокомпоненты драйвера. В отличие от энергосберегающих люминесцентных ламп колбу со светодиодами не герметизируют и не заполняют газом. По наличию вредных веществ, светодиодные лампы можно занести в одну категорию с большинством электронных устройств без аккумуляторов. Безопасная эксплуатация – существенный плюс инновационных источников света.

Белый светодиодный свет вредит зрению

Отправляясь за покупкой LED-ламп, нужно обращать внимание на цветовую температуру. Чем она выше, тем больше интенсивность излучения в синем и голубом спектре. Сетчатка глаза наиболее чувствительна к синему свету, который в течение длительного повторяющегося воздействия приводит к её деградации. Особенно вреден холодный белый свет для детских глаз, структура которых находится в стадии развития.

Чтобы снизить раздражение органов зрения в светильники с двумя и более патронами рекомендуется включать лампы накаливания малой мощности (40–60 Вт), а также использовать светодиодные лампы, излучающие тёплый белый свет. Применение подобных светильников без высокого коэффициента пульсации не наносит вреда и одобрено министерством здравоохранения РФ. Цветовая температура (Тс) указывается на упаковке и должна быть в пределах 2700–3200 К Российские производители Оптоган и SvetaLed рекомендуют приобретать осветительные приборы теплых тонов, т. к. их спектр излучения наиболее похож на солнечный свет.

Сильно мерцают

Вред пульсаций от любого искусственного источника света давно доказан. Мерцания частотой от 8 до 300 Гц отрицательно влияют на нервную систему. Как видимые, так и невидимые пульсации проникают через органы зрения в головной мозг и способствуют ухудшению здоровья. Светодиодные лампы не стали исключением. Однако, не всё так плохо. Если выходное напряжение драйвера дополнительно проходит качественную фильтрацию, избавляясь от переменной составляющей, то величина пульсаций не превысит 1%.
Коэффициент пульсаций (Кп) ламп, в которые встроен импульсный блок питания, не превышает 10%, что удовлетворяет санитарным нормам, действующим на территории РФ. Цена прибора освещения с высококачественным драйвером не может быть низкой, а её производитель должен быть известным брендом.

Подавляют секрецию мелатонина

Мелатонин – гормон, отвечающий за периодичность сна и регулирующий суточный ритм. В здоровом организме его концентрация увеличивается с наступлением темноты и вызывает сонливость. Работая в ночное время, человек подвержен воздействию различных вредных факторов, в том числе и освещения. В результате неоднократных исследований доказано негативное воздействие светодиодного света в ночное время на зрение человека.

Поэтому с наступлением темноты следует избегать яркого светодиодного излучения, особенно в спальных комнатах. Отсутствие сна после длительного просмотра телевизора (монитора) со светодиодной подсветкой также объясняется снижением выработки мелатонина. Систематическое воздействие синего спектра в ночное время провоцирует бессонницу. Кроме регуляции сна мелатонин нейтрализует окислительные процессы, а значит, замедляет старение.

Для светодиодных ламп не имеется стандартов

Данное утверждение является частично ошибочным. Дело в том, что светодиодное освещение ещё развивается, а значит, обретает новые плюсы и минусы. Индивидуального стандарта для него не существует, но оно включено в ряд действующих нормативных документов, предусматривающих влияние искусственного освещения на человека. Например, ГОСТ Р МЭК 62471–2013 «Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем».
нём подробно описаны условия и методики измерений параметров ламп, включая светодиодные, приведены формулы для расчёта предельных значений опасного облучения. Согласно МЭК 62471–2013 все лампы непрерывной волны классифицируют по четырём группам опасности для глаз. Определение группы риска для конкретного типа ламп проводят экспериментально на основании замеров опасного УФ и ИК излучения, опасного синего света, а также теплового воздействия на сетчатку глаза.

СП 52.13330.2011 устанавливает нормативные требования ко всем видам освещения. В разделе «Искусственное освещение» светодиодным лампам и модулям уделено должное внимание. Их рабочие параметры не должны выходить за рамки допустимых значений, предусмотренных настоящим сводом правил. Например, п.7.4 указывает на применение в качестве источников искусственного освещения ламп с цветовой температурой 2400–6800 К и максимально допустимым УФ-излучением 0,03 Вт/м2. Кроме этого, нормируется значение коэффициента пульсаций, освещённости и световой отдачи.

Излучают много света в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне

Чтобы разобраться с данным утверждением, нужно проанализировать два способа получения белого света на базе светодиодов. Первый способ предполагает размещение в одном корпусе трёх кристаллов – синего, зеленого и красного. Излучаемая ими длина волны не выходит за пределы видимого спектра. Следовательно, такие светодиоды не генерируют световой поток в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне.

Чтобы получить белый свет вторым способом на поверхность синего светодиода наносят люминофор, который формирует световой поток с преобладающим желтым спектром. В результате их смешения можно получить разные оттенки белого. Присутствие УФ излучения в данной технологии ничтожно и безопасно для человека. Интенсивность ИК излучения в начале длинноволнового диапазона не превышает 15%, что несоизмеримо мало с аналогичным значением для лампы накаливания. Рассуждения о нанесении люминофора на ультрафиолетовый светодиод вместо синего небезосновательны. Но, пока, получение белого света таким методом является дорогостоящим, имеет низкий КПД и много технологических проблем. Поэтому до промышленных масштабов белые лампы на УФ светодиодах ещё не дошли.

Имеют вредное электромагнитное излучение

Высокочастотный модуль драйвера является самым мощным источником электромагнитного излучения в LED-лампе. Испускаемые драйвером ВЧ импульсы, могут влиять на работу и ухудшать передаваемый сигнал радиоприёмников, WIFI передатчиков, расположенных в непосредственной близости. Но вред от электромагнитного потока светодиодной лампы для человека на несколько порядков меньше вреда от мобильного телефона, СВЧ печи или WIFI роутера. Поэтому влиянием электромагнитного излучения от LED ламп с импульсным драйвером можно пренебречь.

Дешёвые китайские лампочки безвредны для здоровья

Частично ответ на это утверждение уже дан выше.
носительно китайских светодиодных ламп принято считать: дешево – значит некачественно. И к сожалению, это действительно так. Анализируя товар в магазинах, можно отметить, что все LED лампы стоимостью менее 200 рублей за штуку имеют некачественный модуль преобразования напряжения. Внутри таких ламп вместо драйвера ставят бестрансформаторный блок питания (БП) с полярным конденсатором для нейтрализации переменной составляющей. Из-за малой ёмкости с возложенной функцией конденсатор справляется лишь частично. Как следствие – коэффициент пульсаций может достигать до 60%, что может негативно повлиять на зрение и здоровье человека в целом.
Минимизировать вред от таких светодиодных ламп можно двумя способами. Первый предусматривает замену электролита на аналог ёмкостью около 470 мкФ (если позволит свободное пространство внутри корпуса). Такие лампы можно будет использовать в коридоре, туалете и прочих комнатах с низким зрительным напряжением. Второй – более дорогостоящий и предполагает замену некачественного БП на драйвер с импульсным преобразователем. Но в любом случае для освещения жилых комнат и рабочих мест лучше использовать достойные светодиодные лампы, а от приобретения дешевой продукции из Китая лучше воздержаться.

Отзывы специалистов

Специалисты, изучающие работу светоизлучающих диодов, утверждают, что вред светодиодных ламп сильно преувеличен. Но, пока не решена проблема синего света, при выборе LED ламп следует обращать внимание на цветовую температуру (Тс). Если на коробке указано значение в 4 тыс. K и более, то лучше отказаться от покупки таких ламп для квартиры. Их назначение – подсветка улиц и производственных объектов. Источники света с Тс=3000–4000 K рекомендованы в качестве основного освещения в квартире, кроме спальных комнат. В гостиные и комнаты отдыха нужно выбирать LED-лампы с Тс=2500–3000 K, имитирующие теплый свет от лампы накаливания.

Полностью переходить на светодиодное освещение или же, наоборот, полностью отказаться от него – это индивидуальный выбор каждого человека. Технологии позволяют дальше модернизировать светодиод, а разработчики пророчат ему большое будущее. Сейчас человек оказался около двух чаш весов. На одной чаше коммерция, которая весьма эффективно навязывает несовершенный товар в большом объёме. На другой чаше – предостережения ученых, которые добиваются ужесточения норм по применению сверхъярких белых светодиодов.

Используйте качественное светодиодное освещение и не забывайте ежедневно гулять не менее одного часа под воздействием солнечного света. Для детей, зрение которых ещё формируется, этот показатель должен быть увеличен в 2–3 раза. Также следует избегать прямого попадания света от светодиодной лампы. Это утверждение касается любого источника света.

ledjournal.info

Почему светодиодный свет может быть вреден для зрения?

Ученые выяснили, что вредное воздействие на органы зрения оказывает не все излучение светодиода в целом, а только синяя и фиолетовая составляющая спектра, имеющее наименьшую длину волны и соответственно большую частоту и большую энергию. Испанские ученые, проводившие такие исследования, опубликовали свои отзывы в журнале Seguridad y Medio Ambiente. Основными результатами этой исследовательской работы являются следующие утверждения :

• Светодиодные источники света могут нанести непоправимый вред здоровью человека и животных, воздействуя на сетчатку глаза.
• Вред наносит коротковолновый синий и фиолетовый свет.
• Излучение наносит сетчатке глаза травмы трех типов: фотомеханические (ударная энергия волны световой энергии), фототермические (при облучении происходит нагревание ткани клетчатки) и фотохимические (фотоны света могут вызывать химические изменения в макромолекулах).
• Зеленый и белый свет имеет гораздо меньшую фототоксичность, а при воздействии на сетчатку красным светом каких-либо негативных изменений не обнаружено.

Результаты исследования говорят о том, что смотреть на яркую светодиодную лампу противопоказано.

Но это правило безопасности можно отнести и к другим источникам яркого света: лампам накаливания и люминесцентным лампам. Таким образом, вред энергосберегающих ламп для глаз состоит в негативном воздействии на сетчатку глаза. Однако большинство ведущих производителей снабжают лампы рассеивателями, либо хорошие люстры имеют плафоны, которые дают мягкий рассеянный свет, польза которого намного выше.

Классификация освещения по степени риска

Для оценки безопасности светового излучения видимого спектра был принят международный стандарт EN 62471 , который называется «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем». В соответствии с этим стандартом, выделяются четыре группы риска, в которых указывается максимальное время воздействия освещения от исследуемого источника света .

• Нулевая группа риска (отсутствие риска). Воздействие излучения от таких источников света может производиться 10000 секунд и более.
• Первая группа риска (низкий риск). Максимальное время воздействия может быть от 100 до 10000 секунд.
• Вторая группа риска (умеренный риск). Максимальное время воздействия светильников этой группы возможно от 0,25 до 100 секунд.
• Третья группа риска (высокий риск). Время воздействия не должно превышать 0,25 секунды.

Было проведено исследование на основе этого стандарта. Профессор Института здоровья и медицинских исследований Франсин Бехар-Коэн возглавила группу ученых, которые в результате исследований пришли к некоторым важным выводам, сделав свои отзывы о вреде и пользе светодиодных ламп:

• Светодиод синего свечения мощностью 15 Вт и более можно отнести к третьей группе риска.
• Синий светодиод мощностью 0,07 Вт относится к первой группе риска.
• По сравнению с традиционными лампами накаливания, относящихся к нулевой или первой группе риска, светодиодное освещение можно отнести ко второй группе.
• При равной цветовой температуре, в излучении белых светодиодов на 20% больше опасной синей составляющей спектра.

Светодиодные лампы и подавление секреции мелатонина

Коллективом ученых из Израиля, США и Италии было проведено исследование влияния различных искусственных источников света на выработку важного гормона – мелатонина, который вырабатывается у человека и высших животных в эпифизе. Этот гормон отвечает за периодичность сна, кровяное давление, участвует в работе клеток головного мозга.

Мелатонин является мощным антиоксидантом, он замедляет процесс старения, активизирует иммунную систему.

Учеными за образец был принят свет натриевых ламп высокого давления, имеющих теплый желтый цвет. Было выяснено, что галогенные лампы, имеющие более высокую цветовую температуру, подавляет секрецию мелатонина в три раза. При исследовании замечено, что угнетение секреции происходит в пять раз сильнее, при одинаковой мощности натриевых и светодиодных ламп.

Оказалось, что такое пагубное воздействие больше всего оказывает именно яркий свет синего спектра. Итальянский физик Фабио Фалчи утверждает, что воздействие любого мощного источника света в вечернее время, когда организм должен готовиться ко сну, противопоказано и особенно люминесцентных и светодиодных ламп, в спектре которых есть синяя и фиолетовая составляющая спектра.

• Для освещения спален лучше применять лампы накаливания.
• Не смотреть на любые яркие источники света за 2-3 часа перед сном.
• При работе за компьютером в темное время суток применять специальные очки, которые блокируют синий спектр ламп.
• В качестве ночной подсветки лучше применять освещение красного цвета.
• Использовать только качественные светодиодные лампы известных производителей, имеющие цветовую температуру «теплого» белого цвета и высокий индекс цветопередачи.
• Использовать люстры и светильники, специально предназначенные для светодиодных ламп. Об этом подробнее в этой статье.

Мерцание ламп и его влияние на зрение

Известно, что лампы накаливания, работающие в наших сетях переменного тока 220 В, 50 Гц мерцают с частотой 100 Гц. Энергосберегающие лампы, оснащенные обычными балластами, также мерцают с такой же частотой, а у ламп, имеющих электронные балласты – ЭПРА, мерцание может происходить с меньшей частотой. Инертность человеческого глаза не позволяет увидеть пульсацию в свечении ламп, но как показали исследования, мозг человека воспринимает пульсации вплоть до частоты в 300 Гц. Эти колебания энергосберегающих ламп наносят вред психике человека, изменяют гормональный фон, снижают работоспособность, повышают утомляемость, меняют естественные суточные ритмы.

Излучение светодиода происходит при протекании через него постоянного тока, а переменное сетевое напряжение преобразует в постоянное специальная схема – драйвер, которым оснащены все лампы. Правда большинство драйверов преобразует переменное сетевое напряжение не в постоянный ток, а в серию импульсов постоянного тока. Так, во-первых, проще реализовать схему, а, во-вторых, делает возможным диммирование ламп, то есть изменение яркости путем изменения скважности импульсов. Как выбрать диммер, читайте тут. В качественных лампах известных производителей частота следования импульсов более 300 Гц, что практически сводит к нулю пульсацию освещения такими лампами.

Спектр излучения светодиодных ламп

Светодиод создает излучение при рекомбинации в полупроводниках дырок и электронов, благодаря чему излучается фотон света. Частоту излучения определяет химический состав полупроводников. Излучение может быть как в невидимом диапазоне (инфракрасном или ультрафиолетовом), так и в видимом (красном, оранжевом, желтом, зеленом, синем, фиолетовом, белом).

Излучение светодиода происходит в очень узком диапазоне, поэтому спектр такого излучения линейчатый, что негативно влияет на параметры цветопередачи.

Еще одним недостатком светодиодного освещения является то, что генерируемое излучение когерентно, то есть одинаковой частоты и фиксированного сдвига фаз. Нерассеянный свет светодиода обладает определенной «жесткостью», но производители находят выход, применяя рассеиватели на лампах или плафоны в люстрах. Эти меры существенно снижают «жесткость» его излучения.

Следует отметить, что на настоящее время не существует такого кристалла полупроводника, который бы излучал белый свет, хотя белые светодиоды существуют. Белый цвет можно получить двумя способами:

• Первый способ - это сочетание свечения трех светодиодов: красного, зеленого и синего. Такие светодиоды существуют, но спектр их излучения очень линейчатый, что сказывается на индексе цветопередачи. Они нашли применение больше в светодиодных дисплеях, где интенсивностью свечения определенного цвета можно регулировать цвет пикселя дисплея. В освещении такие комбинированные светодиоды используются мало.
• Второй способ – это использовать эффект фотолюминесценции. При облучении специальных веществ – люминофоров, они переизлучают свет, только уже в другом диапазоне. Этот эффект давно используют в люминесцентных лампах, когда ультрафиолетовое свечение газового разряда преобразуют люминофоры, нанесенные на внутреннюю поверхность колбы лампы. И от качества люминофора зависит спектр. В белых светодиодах используются излучатели синего, фиолетового или ультрафиолетового диапазона и люминофор, отвечающий за свет в нужном диапазоне, нужной цветовой температуры и нужным индексом цветопередачи.

Именно от качества и количества люминофора в белых светодиодах зависит спектральный состав, цветовая температура и индекс цветопередачи. Используется комбинирование люминофоров, чем они качественнее и чем больше их, тем богаче спектр, но и тем дороже лампа. И развитие светодиодного освещения происходит параллельно с развитием применения разных люминофоров. Естественно, в излучении белых светодиодов присутствует или синяя, или фиолетовая, или ультрафиолетовая составляющая спектра, несущая в себе определенный вред, поэтому надо соблюдать определенные методы предосторожности, описанные ранее.

Тепловое излучение светодиодных ламп

Любые источники искусственного света имеют тепловое излучение, в том числе и светодиодные лампы. Но если в лампах накаливания свечение спирали происходит за счет высокой температуры спирали, то у светодиодов происходит практически прямое преобразование электрического тока в световую энергию. Естественно, что ток вызывает нагрев кристалла полупроводника, но необходимость его охлаждения больше вызвана в потребности сохранить его свойства и продлить срок службы, так как уже при температурах 60-80°C происходит ускоренная деградация полупроводника.

Белые яркие светодиоды обязательно снабжают радиаторами для охлаждения, но само тепловое излучение от таких ламп очень мало по сравнению с лампами накаливания.

Любое нагретое тело, как известно из курса физики, излучает инфракрасные лучи, но в случае со светодиодными лампами оно пренебрежимо мало по сравнению с лампами накаливания. Именно поэтому светодиодное освещения сейчас заменяет освещение телевизионных студий и сценических площадок, где ранее использовались галогенные и металлгалогенные лампы.

Электромагнитное излучение светодиодных ламп

Драйвера светодиодных ламп представляют собой электронную схему, генерирующей импульсы высокой частоты, поэтому при работе этих устройств создаются электромагнитные помехи, способные нарушить работу некоторых электронных приборов: FM-приемников, телевизоров и других устройств. Поэтому минимальная дистанция от лампы до другого прибора должна составлять не менее 40 сантиметров.

Какие светодиодные лампы можно покупать для дома

Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать определенные выводы про уместность применения светодиодных ламп.

• Светодиодные лампы по показателям энергосбережения, световой отдачи являются самыми эффективными источниками света, имеющими перспективы повсеместного внедрения.
• Все искусственные источники света большой мощности могут оказать негативное влияние на здоровье человека, прежде всего своим воздействием на сетчатку глаза. При соблюдении простых мер безопасности светодиодные лампы не оказывают пагубного влияния.
• При покупке светодиодных ламп следует доверять только известным мировым брендам, а покупка должна быть сделана только у добросовестных продавцов.
• Для дома лучше применять лампы со световой температурой 2700-3200 K (теплый белый). Индекс цветопередачи должен быть не менее 80 CRI.
• Применение более прогрессивных люминофоров при производстве белых светодиодов будет только повышать характеристики светодиодных ламп, в том числе и их безопасность.

indeolight.com

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 ГОСТ по освещению. 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.

svetodiodinfo.ru

Определение достаточности света

Если решено установить светильники для растений, то сделать это нужно максимально правильно. Для этого нужно определиться с тем, каким именно растениям не хватает луча, а каким он будет излишним. Если проектируется освещение в теплице, то надо предусмотреть зоны с разным спектром. Дальше следует определить количество самих светодиодов. Профессионалы это делают специальным прибором - люксметром. Своими силами произвести расчёт тоже можно. Но придётся немного покопаться и спроектировать нужную модель.

Если проект делается для теплицы, есть одно универсальное правило для всех видов источников света. Когда высота подвеса увеличивается, то освещённость уменьшается.

Светодиоды

Спектр цветового излучения имеет большое значение. Оптимальным решением будут являться красные и синие светодиоды для растений в пропорции два к одному. Сколько ватт будет иметь устройство, не имеет большого значения.

Но чаще применяют одноваттные. Если будет необходимость устанавливать диоды самостоятельно, то лучше приобрести готовые ленты. Закрепить их можно с помощью клея, кнопок или винтов. Всё зависит от предусмотренных отверстий. Производителей такой продукции очень много, лучше выбирать известного, а не безликого продавца, который не сможет дать гарантии на своё изделие.

Длина световых волн

Спектр естественного солнечного света содержит и синий, и красный цвет. Они позволяют растениям развивать массу, расти и плодоносить. При облучении только синим спектром с длиной волны 450 нм, представитель флоры будет низкорослым. Такое растение не сможет похвалиться большой зелёной массой. Плодоносить оно также будет плохо. При поглощении красного диапазона с длиной волн 620 нм оно будет развивать корни, хорошо цвести и давать плоды.

Плюсы светодиодов

При освещении растения светодиодными лампами оно проходит весь путь: от ростка до плодов. Одновременно за это время при работе люминесцентного прибора произойдёт только цветение. Светодиоды для растений не нагреваются, поэтому нет необходимости в частом проветривании помещения. Кроме того, отсутствует возможность теплового перегрева представителей флоры.

Незаменимы такие светильники для выращивания рассады. Направленность спектра излучения способствует тому, что побеги крепнут за короткое время. Плюсом является и низкое потребление электроэнергии. Светодиоды уступают только натриевым лампам. Но они в десять раз экономнее ламп накаливания. Светодиоды для растений служат до 10 лет. Гарантийный срок — от 3 до 5 лет. Установив такие светильники, долгое время не придётся беспокоиться об их замене. Такие лампы не имеют в своём составе вредных веществ. Несмотря на это, их применение в теплицах очень предпочтительно. Рынок на сегодняшний день представляет большое количество разнообразных конструкций подобных светильников: их можно подвесить, укрепить на стене или потолке.

Минусы

Для увеличения интенсивности излучения, светодиоды собирают в большую конструкцию. Это является недостатком только для маленьких помещений. В крупных теплицах это несущественно. Недостатком можно считать высокую стоимость по сравнению с аналогами - люминесцентными лампами. Разница может достигать восьмикратного значения. Но диоды себя окупят после нескольких лет службы. На них можно значительно экономить электроэнергию. Снижение свечения наблюдается по истечении гарантийного срока. При большой площади теплицы нужно больше точек освещения по сравнению с другими видами ламп.

Радиатор для светильника

Необходимо, чтобы от устройства отводилось тепло. Лучше это сделает радиатор, который изготовлен из алюминиевого профиля или стального листа. Меньших трудозатрат потребует использование П-образного готового профиля. Рассчитать площадь радиатора несложно. Она должна быть не меньше 20 см 2 на 1 Ватт. После того как подобраны все материалы, можно собрать всё в одну цепь. Светодиоды для роста растений лучше чередовать по цветам. Таким образом, получится равномерное освещение.

Фитосветодиод

Такая новейшая разработка, как фитосветодиод, способна заменить обычные аналоги, светящие только в одном цвете. Новый аппарат в одном чипе собрал в себе необходимый спектр светодиодов для растений. Он нужен для всех этапов роста. Самая простая фитолампа обычно состоит из блока со светодиодами и вентилятора. Последний, в свою очередь, может регулироваться по высоте.

Лампы дневного света

Люминесцентные лампы долгое время оставались на пике популярности в бытовых садах и огородах. Но такие светильники для растений не подходят по цветовому спектру. Их всё больше заменяют фитосветодиодные или люминесцентные лампы специального назначения.

Натриевый

Такой сильный по насыщенности свет, как у натриевого аппарата, не подойдёт для размещения в квартире. Его применение целесообразно в больших теплицах, садах и оранжереях, в которых производится освещение растений. Минусом таких ламп является их малая производительность. Они две трети энергии преобразовывают в тепло и лишь малая часть идёт на световое излучение. Кроме того, красный спектр такой лампы интенсивнее, чем синий.

Делаем устройство самостоятельно

Самый простой способ изготовить лампу для растений - воспользоваться лентой, на которой расположены светодиоды. Нужна она красного и синего спектров. Они будут подключаться к блоку питания. Последний можно приобрести там же, где и ленты, - в строительном магазине. Также необходимо крепление - панель, размером с площадь освещения.

Изготовление начинать следует с очищения панели. Далее, можно приклеить диодную ленту. Для этого надо удалить защитную плёнку и липкой стороной приклеить к панели. Если придётся резать ленту, то её куски можно соединить при помощи паяльника.

Светодиоды для растений не нуждаются в дополнительной вентиляции. Но если само помещение мало проветривается, то целесообразно установить ленту на металлический профиль (например, из алюминия). Режимы освещения для цветов в комнате могут быть такими:

• для растущих далеко от окна, в затенённом месте достаточно будет 1000-3000 лк;
• для растений, что нуждаются в рассеянном свете, значение будет составлять до 4000 лк;
• представители флоры, которые нуждаются в прямом освещении, - до 6000 лк;
• для тропических и тех, которые плодоносят, - до 12 000 лк.

При желании видеть комнатные растения в здоровом и красивом виде, надо тщательно удовлетворять их потребность в освещённости. Итак, мы выяснили преимущества и недостатки светодиодных ламп для растений, а также спектр их лучей.