Осветительные устройства с улучшенным восприятием света Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 666.265.2

В.Х. Ким, В.А. Чащин, А.И. Захаров

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С УЛУЧШЕННЫМ ВОСПРИЯТИЕМ СВЕТА

В работе представлены современные источники света, их преимущества и недостатки (особое внимание уделено светодиодам), способы их оптимизации и восприятие света в целом.

In the paper light sources, their advantages and lacks (the special attention is given to light-emitting diodes), ways of their optimization and perception of light as a whole are presented.

В последнее десятилетие можно видеть значительный рост числа разработок источников света на основе светодиодов, при этом дискуссия об эффективности (светоотдаче) источника и оптимальности спектрального состава света ведется острее. В связи с этим, необходимо наметить пути решения проблемы создания источника комфортного и эффективного света.

Сегодня в качестве бытовых источников света используются в основном лампы накаливания, люминесцентные газоразрядные лампы и светодиоды. Современные лампы накаливания обладают следующими параметрами: световая отдача составляет 10-15 Люмен/Ватт, срок службы при температуре нити 2700 К примерно 1000 часов, КПД не превышает 5 %, остальные 95 % энергии расходуется на тепло. Альтернативой стали люминесцентные газоразрядные лампы. В них электрический разряд ионизирует атомы ртути, а те, возвращая себе оторванные электроны, испускают ультрафиолет, который возбуждает люминесценцию люминофора, покрывающего колбу изнутри. Для того чтобы свет был белым, используют смесь люминофоров трех и более цветов. Но спектр первых люминесцентных ламп был бедным, и цветовосприятие объектов, освещаемых им, искажалось. Например, спектр излучения лампы накаливания непрерывный, а люминесцентной лампы - линейчатый и смешанные цвета в нем фактически отсутствуют. К тому, же люминесцентные лампы заметно мерцали, утомляя глаз, были громоздкими, не сразу разгорались и быстро перегорали при частых включениях.

Со временем, почти все недостатки люминесцентных ламп были устранены. Электронные пускорегулирующие устройства избавили от мигания. Новые люминофоры дают свет, более близкий к натуральному дневному. Размеры ламп резко сократились за счет сворачивания газовой трубки в спираль. Решена проблема частых включений и медленного разогрева. Благодаря унификации цоколя люминесцентные лампы стали использоваться в быту. КПД этих источников света достигает 20 %. Световая отдача составляет 70 - 90 люмен/ватт. Срок службы 8000 часов. Недостатками таких устройств являются: наличие паров ртути и большой расход дорогого люминофора.

Светодиодные панели, на которых сейчас сосредоточены основные усилия разработчиков источников света, еще долговечнее и экономичнее, чем люминесцентные лампы. Они не содержат ртути, не боятся частых включений, гибко регулируются по яркости и совершенно не мерцают.

Центральный элемент полупроводникового диода основан на р-п переходе электронов. При пропускании тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу. В области р-п перехода электроны попадают в дырки, заполняют и нейтрализуют их. В этом процессе рекомбинации выделяется энергия (свет).

Единичный светодиод не может излучать белый свет, поскольку энергия испускаемых им фотонов примерно одинакова. Поэтому для создания эффекта белого света обычно используют либо матрицы из разноцветных диодов, либо явление люминесценции - синие или даже ультрафиолетовые светодиоды, покрытые слоем желто-зеленого люминофора [1]. Изначально люминофор покрывал первичную оптику светодиодного кристалла и находился в непосредственной близости к нему. Из-за нагревания возникал эффект температурного тушения люминесценции.

Последней разработкой является так называемый «удаленный люминофор с квантовыми точками», предназначенный для светодиодных источников света. «Удаленный люминофор» представляет собой люминесцентный экран из прозрачного материала с нанесенным на поверхность или распределенным в объеме люминофором. Люминесцентный экран отстоит от светодиодов на такое расстояние, чтобы устранить температурное тушение. Помимо этого, он также выполняет функцию светорассеивающего экрана, что позволяет снизить потери на дополнительном светорассеивающем плафоне. «Квантовые точки» представляют собой фрагмент проводника или полупроводника с электроном проводимости и настолько малого размера, чтобы были существенны квантовые эффекты. Эффективность использования «квантовых точек» заключается в том, что они поглощают энергию в широком диапазоне спектра, а испускают узкий спектр световых волн [2].

Несмотря на существенное развитие, еще не найдена оптимальная конструкция цокольных светодиодных ламп и светодиодных светильников по следующим позициям: по равномерности распределения света,

эффективности, долговечности и цветопередаче.

Для комфортного освещения необходимо оптимизировать однородность освещения, его яркость, цветопередачу, а также обеспечить отсутствие стробоскопического эффекта или мерцания света.

За однородность освещения помимо размещения источников света отвечает такой параметр световых приборов как кривая силы света -распределение света в пространстве. Предпочтительнее иметь хорошее общее освещение с равномерной кривой силы света вместо местного. По этой причине, осветительные устройства должны быть распределены как можно равномернее, чтобы избежать разницы в силе света. Постоянное

перемещение в неравномерно освещенных зонах утомляет глаза, и со временем это может привести к ослаблению остроты зрения.

Ослепление происходит, когда в поле зрения находится яркий источник света, оно может быть прямым, когда оно вызвано нахождением ярких источников света в поле зрения, или отраженным, когда свет отражается от поверхностей с высоким коэффициентом отражения. Максимальная переносимая яркость при прямом наблюдении составляет 7500 кд/м2.

Очень сильный свет возбуждает все 3 типа цветовых рецепторов в человеческом глазу, и воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета, однако такие источники света обладают плохой цветопередачей.

Равномерное раздражение всех трёх цветовых рецепторов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета. Самая хорошая цветопередача у источников света с непрерывным спектром, как у лампы накаливания. Проблема цветопередачи светодиодных светильников решается усложнением состава люминесцентной смеси, однако добавка красного люминофора снижает эффективность источника света.

Цветовой тон освещения зависит не только от цвета света, но также и от уровня силы света - цветовой температуры. Используя эмпирические наблюдения Крюитхоф составил таблицу комфортного состояния при различных уровнях освещения и цветовой температуры, в которой показал, что можно чувствовать себя комфортно в определенной обстановке при низких уровнях освещения, если цветовая температура также является низкой. Например, если уровень освещения 1 кандела, а цветовая температура равна 1750 К и, напротив, при высоком уровне освещения цветовая температура должна быть высокой [3].

Таким образом, перспективным направлением является разработка светильника с параметрами сбалансированными по световой отдачи, долговечности, равномерной кривой силы света и цветопередачи. Необходимый баланс может быть достигнут при комплексном подходе: как разработкой состава люминесцентной смеси, связки и технологии ее нанесения, так и разработкой конструкции светильника.

Библиографические ссылки

1. Козловская В. Б., Радкевич В. Н., Сацукевич В. Н. Электрическое освещение: справочник. Минск: Техноперспектива, 2007. - 255 с.

2. РОСНАНО [Электронный каталог]: Режим доступа: http://www.rusnano.com/Post.aspx/Show/25432

3. Ana Hernandez Calleja, Fernando Ramos Perez. Условия, необходимые для зрительного комфорта [Электронный каталог] : Режим доступа: http://base.safework.ru/iloenc?navigator&spack=110LogLength%3D0%26LogNu mDoc%3D857000268%26listid%3D010000000100%26listpos%3D 1%26lsz%3D 3%26nd%3D857000268%26nh%3D 1%26