CC BY
89
Эффективные светодиодные модули с высоким качеством цветопередачи
Ключевые слова: стандартный источник света, светодиодный модуль, индекс цветопередачи, цветовая температура, спектр излучения, кристалл, цветные люминофоры.
Гутцайт Э.М.,
д.т.н., НИУ "МЭИ", [email protected] Маслов В.Э.,
к.т.н., Генеральный директор ООО".ЛЕДРУ"
Агафонова Т.А.,
Научный редактор ВИНИТИ РАН
В настоящее время светодиоды (СД) успешно заменяют различные источники света. Светодиодные модули (СДМ) могут воспроизвести цветопередачу, обеспечиваемую источником белого света, к которому привык человеческий глаз. Для этого спектр излучения СДМ должен соответствовать спектру привычного источника света, который принят в качестве стандартного.
Поскольку основными стандартными источниками света в соответствии с принятыми нормами [1] являются два различных источника естественного и искусственного света для цветовых температур выше и ниже Тц = 5000 К, то представляет интерес моделирование их спектров спектрами СДМ во всём видимом диапазоне длин волн. При этом немаловажное значение имеет равномерность и плотность заполнения указанного диапазона. Эти соображения были высказаны в [2], а в [3] приведены примеры моделирования при использовании светодиодной установки с регулируемым спектром на основе 22-х цветньх каналов со спектральными максимумами на длинах волн от 440 нм до 640 нм.
Качество цветопередачи характеризуется индексом 1^а, максимальное значение которого соответствует 100 для стандартного источника белого света.
Представлены результаты расчётов индексов цветопередачи при использовании спектров достаточного количества СД, которое определяется шириной спектра каждого СД при равномерном за-
Рассматриваются возможности создания эффективных светодиодных модулей (СДМ) с индексом цветопередачи (ИЦ) более 95. Приводятся результаты расчетов ИЦ СДМ, содержащих светодиоды (СД) с различными спектрами, при моделировании стандартных источников света с цветовыми температурами выше и ниже 5000 К. Обращается внимание на возможности использования цветных СД с гете-рострукгурами !пхОа1-хЫ и (ЛіхОа1-х)уіп1-уР, а также СД с различными люминофорами, возбуждаемыми ультрафиолетом. Анализируются пути повышения эффективности предлагаемых СДМ.
полнении видимого диапазона длин волн. Длина волны, соответствующая максимуму спектра, зависит от состава гетероструктуры СД. На рис.1 показаны параметры гетероструктур !пхОа]-хЫ и (ЛіхОа]-х)уіп]-уР в виде зависимостей энергетической ширины запрещённой зоны от постоянной кристаллической решётки Ед(а0), приведенные в [4]. На основании этих графиков на рис. 2 построены зависимости излучаемьх длин волн от процентного содержания индия или алюминия, обозначенного через х Гетероструктуры !пхЭа 1-хЫ используются для создания эффективных СД синего и зелёного свечения, а структуры (Л^іхСаі_х)уіпі-уР позволяют получить хорошие жёлтые и красные СД. Таким образом, регулируя состав гетероструктуры, можно изготовить кристалл, излучающий желаемую цветность, а изменяя ток через кристалл, подобрать интенсивность излучения.
На рис. 3 показаны спектры реальных СД синего, зелёного, жёлтого и красного свечения с максимумами на длинах волн 448 (24), 522 (38), 590 (15) и 630 (15) нм соответственно. В скобках указана ширина спектра (в нм) по половинному уровню. Приведенные длины волн соответствуют точкам 1, 4, 7 и 9 на рис. 2.
На рис. 4 приведены спектры 10-ти типичных СД, которые в принципе могут быть изготовлены из вышеуказанных гетероструктур, а на рис.5 показан результат моделирования спектра стандартного источника света, соответствующего излучению абсолютно чёрного тела (АЧТ) при Тц = 3300 К, и подборе интенсивностей излучений этих 10-ти СД с таким расчётом, чтобы суммарный спектр был наиболее близок к выбранному спектру стандартного источника света.
Расчет индекса цветопередачи по суммарному спектру 10-ти СД свидетельствует о получении Ра = 77,5. Для повышения значения
Ра требуется увеличить количество СД и на следующем этапе моделирования было взято 14 СД, охватывающих диапазон длин волн от
Рис. 1. К определению доминантных длин волн излучающих гетероструктур !пОаЫ (а) и ЛЮаіпР (б)
Рис. 2. Длины волн 9-ти СД
Рис. 3. Спектры 4-х СД
Рис. 4. Спектры 10-ти СД.
Рис. 5. Суммирование 10-ти спектров под АЧТ
Длина волны
Рис. 6. Моделирование 14-ю СД (ка = 98,5)
Рис. 7. Моделирование 14-ю СД под D65 (ка = 83)
Рис. 8. Моделирование 20-ю СД (Ка = 94)
Рис. 9. Спектры СД с разными люминофорами
Рис. 1G. Моделирование 4+2 спектрами СД под АЧТ (а) и D65 (б), обеспечивающими Ro = 95 и 93 соответственно
400 до 700 нм. В предыдущем примере спектры 10-ти СД находились в диапазоне от 450 до 650 нм. Новый результат моделирования представлен на рис.6, при котором был получен 1^а = 98,5.
Дальнейшие исследования возможностей моделирования показали, что этих 14 СД недостаточно для хорошего воспроизведения спектра стандартного источника дневного света типа D65 (см. рис. 7), поскольку в данном случае получается Ра = 83 при Тц = 6340 К. Но для 20-ти СД (рис. 8) получается Ра = 94 при Тц = 6700 К.
При использовании СД с широкими спектрами можно существенно уменьшить количество СД в СДМ. Так, на рис.9 показаны спектры 4-х СД, разработанных в НПЦ "ОПТЭЛ" совместно с НПК "Люминофор" [5]. Отличительной особенностью этих СД является то, что они имеют широкие спектры за счёт использования специальных люминофоров, возбуждаемых фиолетовым кристаллом на основе гетероструктуры !пОаЛ!Ы. На рис. 9 первый максимум этих спектров, соответствующий = 403 нм, определяется фиолетовым излучением, которое возбуждает люминофоры с максимумами излучений на Х1 = 455, Х2 = 540, Х3 = 580 и Х4 = 625 нм. Применение таких четырёх СД при моделировании спектра АЧТ обеспечивает Ра= 88 (Тц = 2980 К), а при моделировании спектра D65 значение 1^а не превышает 70. Однако, добавление двух обычных СД на
длинах волн 420 и 670 нм с узкими спектрами полушириной 15 нм позволяет получить 1^а = 95 при Тц=2920 К и 1^а = 93 при Тц=5720 К.
Результаты моделирования 6-ю СД приведены на рис. 10.
Заметим, что при реализации проанализированных СДМ необходимо обращать внимание на возможность достижения максимальной световой отдачи светодиодного устройства при пропускании различных токов через СД. При использовании предлагаемых СДМ следует иметь в виду возможные противоречия между шириной спектра и КПД СД, что необходимо учитывать при компромиссных решениях по выбору количества СД и потребляемой ими мощности. Несомненным достоинством предлагаемых СДМ является то обстоятельство, что они открывают новые возможности преодоления опасности синего света, которая в настоящее время широко дискутируется [6-8].
В заключение отметим, что представленные результаты модели-
рования спектров стандартных источников света обеспечивают получение высоких значений индекса цветопередачи светодиодных модулей, которые могут перестраиваться путём подбора токов СД и способны заменить любые традиционные светоизлучающие устройства. Отметим также, что в отличие от других источников света СД легко управляются, допускают широкие возможности автоматизации при использовании СДМ и имитации светового дня в любое время года и в любом месте. Такие комфортные и безопасные СДМ могут быть использованы для освещения при длительном пребывании людей в космических кораблях, подводных лодках и других закрытых помещениях.
Авторы выражают благодарность Закгейму АЛ, Когану Л.М., Сощину Н.П. и Юновичу А.Э. за полезную информацию при обсуждении полученных результатов.
Литература
1. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Айзенберга Ю.Б. М.: Знак, 2006.
2. Gultsait E, Sajin R, Sidorov A. Provision of uniform light distribution when using LED modules // XII National Conference LIGHT'2004, 15-17June 2004, Varna, Bulgaria. P129-133.
3. Даулинг К, Дэвис У, Зонг Ю, Миллер К.К., Оно Й. Осветительная установка НИСТ с регулируемым спектром для исследований в области цветопередачи // Светотехника, 2009, №5, С.37-40.
4. ШубертФ.Е. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 496 с.
5. Большухин ВА, Гальчина НА, Коган Л.М., Портнягин ЮА., Сощин Н.П. Цветные светодиоды на основе люминофоров, возбуждаемых фиолетовым излучением // Светотехника, 2012. №5. - C. 12-15.
6. Зак П.П., Островский М.А Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков // Светотехника, 2012. — №3. — C. 4-6.
7. Аладов АВ., Закгейм А.Л., Мизеров М.Н., Черняков АЕ. О биологическом эквиваленте излучения светодиодных и традиционных источников света с цветовой температурой 1800-10000 К // Светотехника, 2012. — №3. — C. 7-10.
8. Закгейм АЛ. Светодиодные системы освещения: энергоэффективность, зрительное восприятие, безопасность для здоровья (обзор) // Светотехника, 2012. — №6. — C.12-21.
Effective led modules with high-quality color reproduction
Gutzeit E.M., Maslov V.E., Agafonova TA, Moscow, Russia
Abstract
The possibility of creation of effective LED module (LEDM) with a colour rendering index (CRI) more than 95. Presents the results of calculations of CRI LEDM, containing LED with dif-ferent spectra, when modeling the standard light sources with color temperatures above and be-low5000 K. Attention is drawn to the possibility of using color LED with structures InxGa ^ xN and (AlxGa ^ x)yIn ^ yP, as well as the LEDs with various phosphors, excited by a purple crystal. Examine ways of increasing the effectiveness of the proposed LEDM.
Keywords: standard light source, LED module, colour rendering index, color temperature, the spectrum of radiation, crystal, color phosphors.
