События
20.05.2015    Освещение на базе светодиодных технологий. Анализ проблем и трендов развития.


Серийные светодиоды (СД) появились на рынке в 1962 году: концерн General Electric (США) выпустил первый красный (слаботочный) СД. С того момента и до начала 1990-х гг. были разработаны и технологически освоены в производстве жёлтые, зелёные СД и новые модификации красных СД. Эти СД с умеренной яркостью стали применяться в бытовых электроприборах и машинах (холодильниках, стиральных машинах, утюгах, радиоприёмниках и т.д.), а также в различных светосигнальных приборах (в панелях пультов управления производственными и энергетическими системами, светофорах, тормозных фонарях автомобилей, сигналах охранного ограждения на стройках, в зонах несчастных случаев и катастроф).

В указанный период из-за небольших токовых нагрузок и невозможности создания СД белого света областями применения полупроводниковых источников света были только световая сигнализация и визуальный контроль за автоматизированными технологическими процессами.

Время внедрения светодиодных средств в уличное освещение, в осветительные установки офисов и других общественных помещений тогда еще не настало.
И только в середине 1990-х гг. (точнее в 1997 году) после создания в Японии голубых СД на базе нитрида галлия в комбинации с жёлтым люминофором на основе иттрий-алюминиевого граната (YAG), легированного 3-валентным церием, удалось разработать первые образцы белых СД.

До 2007 года эти СД не отличались хорошей цветопередачей (Ra = 65…75; R9 = 5...10).

Практически с 2006 года и по настоящее время фигурируют следующие тенденции и проблемы в разработках светодиодных компонентов:

а) Оптимизация технологии изготовления чипов.
Благодаря методу «flip chip» (установка кристаллов «лицевой» стороной – на заранее нанесенные контактные выступы) в сочетании с тонкоплёночными технологиями и усовершенствованными распределениями токовых трасс внутри чипа удалось значительно повысить внешний и внутренний квантовый выход кристаллов. Для снижения цены изготовления чипов пришлось увеличить толщину подложки и применить в качестве субстрата чистый кремний вместо его карбида и сапфира.

b) Оптимизация технологии сборки модулей – методов контактных соединений внутри и вне структуры чипа (клеящие составы, техника пайки, керамические материалы, золото для электрических соединений); повышение надёжности, срока службы и токовой нагрузки модулей.

с) Оптимизация люминофоров. Наряду с YAG- люминофорами в последние 10 лет всё больше стали применяться зелёные люминофоры на основе лютециум-алюминиевого граната (LuAG), ортосиликатов. а также жёлтые и красные люминофоры на нитридной основе.
С использованием голубых СД, имеющих λмакс в зоне длин волн 435 - 465 нм, и этих новых зелёных и красных люминофоров могут быть созданы белые светодиоды с цветовой температурой излучения Тц от 2000 до 7000 К, и различными колориметрическими, тепловыми, химическими и фотонными свойствами.

На рис.1 показан спектр излучения белого СД с Тц = 3000 К.
Этот СД характеризует современные технологические возможности создания белых СД с отличным качеством воспроизведения цвета. В нем применены кристаллы с голубым излучением с λмакс= 445 и 470 нм (для того, чтобы хорошо воспроизводились голубые и сине-зеленоватые цвета).


Рис.1 Спектры излучения (поток излучения в Вт/нм):
тёмная линия – голубой кристалл; оранжевая линия – белый светодиод с Тц = 3000 К

Рис.2. Общий и специальные индексы цветопередачи белого светодиода со спектром, показанным на рис.1.

Применена смесь из зелёного люминофора и красного с λмакс= 635 нм и достаточно интенсивной долей излучения до λ =7 40 нм.
Как видно из рис. 2, у этого СД величины общего и специальных индексов цветопередачи (Ra, R9, R12) превышают 92.


d) Оптимизация сочетания световой отдачи – ηv и общего индекса цветопередачи – Ra.

Такие СД с очень большими величинами общего и частных индексов цветопередачи в зависимости от прямого тока (350-700 мА) имеют ηv = 85-97 лм/Вт.

По сравнению с известными типами серийных СД, такая световая отдача на данном этапе развития оценивается относительно невысокой.

С другой стороны следует отметить, что белые СД с очень большой ηv = 140-150 лм/Вт и выдаваемые за «мировых рекордсменов» СД с ηv > 200 лм/Вт характеризуются сегодня далеко не лучшими свойствами цветопередачи (Ra = 65-75).

Вывод однозначен: при комбинации голубых СД с корригирующими люминофорными смесями всегда неизбежен компромисс между величинами ηv и Ra.
Оптимальное сочетание этих параметров для конкретных областей освещения остаётся пока предметом широких дискуссий.

Динамичное развитие светодиодных технологий в последние 10 лет в странах Европы, в США, Китае, Японии соответственно дало импульс достаточно быстрой разработке конструкций осветительных приборов с белыми СД.

• В последние 8 лет (с 2006 по 2014 гг.) основное внимание уделялось светильникам уличного освещения. В этот период появились белые СД с Тц = 4000 К и большой светоотдачей ηv = 140 лм/Вт.
Качество цветопередачи у этих СД (Ra=65-80) вполне адекватно современным требованиям к качеству освещения городских улиц и площадей.

Указанные выше величины общего индекса цветопередачи соответствуют таковым у функционирующих систем уличного освещения «досветодиодной эпохи» - со светильниками, в которых установлены компактные или линейные люминесцентные лампы, ртутные лампы с люминофором типа «де-люкс», металлогалогенные лампы типа «Сosmopolis».

Новые светильники уличного освещения разработаны и комплектуются в основном мощными СД-модулями (изготовленными по технологии SMD) – от 2 до 23 Вт, прямой ток 350…700 мА.

• С 2012 и до настоящего времени предпринимаются значительные усилия для активного внедрения мощных СД-светильников в системы общего освещения производственных и складских помещений высотой 7-10 м.
Это, например, сборочные цехи авиационной, автомобильной, тяжелой промышленности, а также предприятия химической отрасли и пищевых производств. Применяемые в этих светильниках СД-модули (собранные по технологии COB) потребляют суммарную мощность 200-250 Вт.

Многие из таких серийных модулей имеют следующие параметры: прямое напряжение – 35-50 В, прямой ток 1,2-2,5 А, световые потоки – от 7000 до 10000 лм.
Цветопередача у известных промышленных светодиодных светильников весьма умеренного качества (Ra = 68-73).
Тем не менее нельзя отрицать, что наметилась тенденция к применению СД-модулей с Ra ≥ 80. Однако необходимо еще некоторое время, чтобы такие мощные СД-модули стали массовым продуктом.

• В системах экспозиционного освещения (музеи, галереи, реставрационные мастерские произведений живописи, магазины модной одежды, помещения для презентации товаров и экспонатов, а также теле-киностудии) необходимы светильники с варьируемой Тц в пределах от 2700 до 6500 К и очень высоким качеством воспроизведения цвета Ra ≥ 94. Здесь чрезвычайно важно обеспечить возможность изменения спектрального состава излучения в зависимости от времени года и суток, погодных условий и с учётом цветовой гаммы освещаемых объектов.

• В офисах, учебных классах и аудиториях, домах для проживания людей преклонного возраста, больницах и т.п. объектах внимание к качеству цветопередачи (что подтверждается действующими нормами и рекомендациями) было недостаточно пристальным.
Реально достижимым для большинства широко применяемых люминесцентных ламп с цветностью 830, 840, 850, 865 был общий индекс цветопередачи равный Ra = 80-84.

Несколько лет назад обоснованно возникли и все более активно дискутируются в широких светотехнических и медицинских кругах (хронобиологи, сомнологи, психотерапевты) такие проблемные темы, как «Свет и здоровье» и “HCL – Human Centric Lighting” (“Освещение, ориентированное на потребности человека»). Это – и светотерапия, и биологически активный свет и динамические системы освещения.

Если на первом этапе дебатов о биологическом воздействии света и его невизуальном влиянии на организм человека (благодаря открытию в 2002 году третьего типа светочувствительных рецепторов – мелапсина) акцент был на решении задачи подавления выброса гормона усталости и сна (мелатонина), то теперь тематизируются ещё и следующие аспекты:

- В вечерние часы, с наступающей фазой выброса мелатонина, условия освещения (и спектр излучения источников света в том числе) должны содействовать релаксации, снятию нервного напряжения – для повышения качества сна.

- В административных и конструкторских бюро, банковских офисах и других подобных помещениях искусственное освещение в зависимости от времени дня должно плавно менять свои характеристики (интенсивность и цветовой оттенок). Здесь возможно использование самых современных методов регулирования как уровней освещенности (фактически яркостей в поле зрения), так и (от 3000 до 6000 К). Эти параметры освещения могут плавно варьироваться как индивидуально, так и в сочетании друг с другом.
Необходимо признать, что качеству цветовых характеристик освещения, как параметру его качества, только в очень редких случаях уделяется должное внимание.
- При анализе и реализации проблем в рамках тем «Свет и здоровье» и “HCL – Human Centric Lighting” необходимо учитывать, что самочувствие человека (психофизиологический комфорт) зависит не только от «предъявленного» ему количества света с той или иной Тц.

Важнейшими критериями комплексной оценки качества условий освещения являются такие факторы, как характер спектра излучения источников света, достоверное воспроизведение цвета (цветопередача), естественность восприятия объектов, цветопредпочтение, цветовая гармония, способность восприятия цветовых отличий, яркостные параметры цвета, ассоциативная цветовая память.

Все перечисленные факторы оказывают прямое или опосредованное влияние на зрительную работоспособность, визуальный комфорт, а также на познавательные процессы в мозге и такие функции, как идентификация объектов и пространства, национальной и культурной принадлежности индивидуумов, предпочтений и индивидуализации личности – короче говоря, на самочувствие «пользователя» освещения.

Поэтому настоятельно рекомендуется не упускать возможности гармоничной комбинации динамики освещения и его качественных цветовых показателей, воздействующих на человека.
===================================================================
В заключение 1-й части статьи представляют интерес сформулированные ранее авторами рекомендации по характеристикам современного осветительного прибора для удовлетворения самых высоких требований к «цветовому качеству» освещения.
• Цветовая температура излучения – необходима возможность плавного изменения в пределах от 2700 до 6500 К;
• Общий индекс цветопередачи – Ra > 93;
• Специальный индекс цветопередачи (для насыщенных красных тест-образцов МКО) – R9 > 85;
• Специальный индекс цветопередачи (для голубых тест-образцов МКО) – R12 > 85;
• Цветовое различие (относительно точки опорного белого в равноконтрастной колориметрической системе L u΄v΄): Δ u΄v΄ < 0,002;
• Световая отдача – не менее 90 лм / Вт.


возврат к списку статей

версия для печати
 
Компания Точка опоры
Design by ErDM.  Разработка сайта UNISOFT
музейное освещение, светильники музеи, свет в музее, галерея светильники, выставочное освещение, освещение выставок, освещение выставочных залов, освещение галереи, освещение галерей, освещение залов, освещение экспозиции, подсветка картины, современный музей, музейные технологии, эрарта, музей воды, освещение метро, светильники метрополитен, люстры для метро, реконструкция освещения метро, тоннельные светильники, архитектурное освещение метро, реставрация светильников для метро