Выбор светодиодных ламп. Спектры источников света
) мне сразу хочется его разобрать и заглянуть внутрь, увидеть, как это всё устроено и работает. Видимо, это и отличает учёных от обывателей. Согласитесь, какой нормальный человек будет разбирать лампочку за 1000 рублей, но что поделать - партия сказала: надо!
Часть теоретическая
Как Вы думаете, почему все так озабочены заменой ламп накаливания , которые стали символом целой эпохи, на газоразрядные и светодиодные ?
Конечно, во-первых, это энергоэффективность и энергосбережение. К сожалению, вольфрамовая спираль больше излучает «тепловых» фотонов (т.е. свет с длинной волны более 700-800 нм), чем даёт света в видимом диапазоне (300-700 нм). С этим трудно спорить - график ниже всё расскажет сам за себя. С учётом того, что потребляемая мощность газоразрядных и светодиодных ламп в несколько раз ниже, чем у ламп накаливания при той же освещённости, которая измеряется в люксах . Таким образом, получаем, что для конечного потребителя это действительно выгодно. Другое дело - промышленные объекты (не путать с офисами): освещение пусть и важная часть, но всё-таки основные энергозатраты связаны как раз с работой станков и промышленных установок. Поэтому все вырабатываемые гигаватты уходят на прокатку труб, электропечи и т.д. То есть реальная экономия в рамках всего государства не так уж и велика.
Во-вторых, срок службы ламп, пришедших на замену «лампочкам Ильича», выше в несколько раз. Для светодиодной лампы срок службы практически неограничен, если правильно организован теплоотвод.
В-третьих, это инновации/модернизации/нанотехнологии (нужное подчеркнуть). Лично я ничего инновационного ни в ртутных, ни в светодиодных лампах не вижу. Да, это высокотехнологичное производство, но сама идея - это всего лишь логичное применение на практике знания о полупроводниках, которому лет 50-60, и материалов, известных около двух десятилетий.
Так как статья посвящена светодиодным лампам, то я более подробно остановлюсь на их устройстве. Давно известно, что проводимость освещённого полупроводника выше, чем проводимость неосвещённого (Wiki). Каким-то неведомым образом свет заставляет электроны бегать по материалу с меньшим сопротивлением. Фотон, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводника (E g), способен выбить электрон из так называемой валентной зоны и закинуть в зону проводимости.
Схема расположения зон в полупроводнике. E g - запрещённая зона, E F - энергия Ферми, цифрами указано распределение электронов по состояниям при T>0 ()
Усложним задачу. Возьмём два полупроводника с разным типом проводимости и и соединим вместе. Если в случае с одним полупроводником мы просто наблюдали увеличение тока, протекающего через полупроводник, то теперь мы видим, что этот диод (а именно так по-другому называется p-n-переход, возникающий на границе полупроводников с различным типом проводимости) стал мини-источником постоянного тока, причём величина тока будет зависеть от освещённости. Если выключить свет, то эффект пропадёт. Кстати, на этом основан принцип работы солнечных батарей .
Теперь вернёмся к светодиодам. Получается, что можно провернуть и обратное: подключить полупроводник p-типа к плюсу на батарейке, а n-типа - к минусу, и… И ничего не произойдёт, никакого излучения в видимой части спектра не будет, так как наиболее распространенные полупроводниковые материалы (например, кремний и германий) - непрозрачны в видимой области спектра. Всему виной то, что Si или Ge являются не прямозонными полупроводниками . Но есть большой класс материалов, которые обладают полупроводниковыми свойствами и одновременно являются прозрачными. Яркие представители - GaAs (арсенид галия), GaN (нитрид галлия).
Итого, чтобы получить светодиод нам надо всего-то сделать p-n-переход из прозрачного полупроводника. На этом я, пожалуй, остановлюсь, ибо, чем дальше, тем сложнее и не понятнее становится поведение светодиодов.
Позволю себе лишь несколько слов о современных технологиях производства светодиодов. Так называемый активный слой представляет собой очень тонкие 10-15 нм толщиной перемежающиеся слои полупроводников p- и n-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al. Такие слои эпитаксиально выращивают с помощью метода MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition или химическое осаждение из газовой фазы).
Для заинтересованных читателей могу предложить познакомиться с физикой , лежащей в основе работы светодиодов. Помимо этой интересной работы, выполненной в стенах родного МГУ, у Светланы и Оптогана есть прекрасная плеяда научных коллективов в самом Санкт-Петербурге. Например, ФизТех . А ещё можно почитать .
Часть методическая
Все измерения спектров ламп были сделаны в течение 30 минут (т.е. фоновый сигнал менялся слабо) в затемнённой комнате с помощью спектрометра Ocean Optics QE65000. можно почитать об устройстве спектрометра. Помимо 10 зависимостей на каждый вид ламп был измерен темновой спектр, который затем вычитали из спектров лампочек. Все 10 зависимостей для каждого образца суммировались и усреднялись. Дополнительно каждый итоговый спектр был нормирован на 100%.
SEM-изображение отдельных светодиодов на подложке после удаления полимерного слоя
Сам же полимерный слой имеет довольно интересную структуру. Он состоит из маленьких (диаметр ~10 мкм) шариков:
Оптические микрофотографии «изнанки» полимерного слоя
Случайно получилось так, что один разрезанный микротомом диод остался в полимерном слое. Стоит отметить, что сам диод действительно прозрачен и сквозь него видны контакты на другой стороне чипа:
Оптические микрофотографии светодиода с тыльной стороны: отличная прозрачность для такого рода изделий
Полимерный слой настолько прочно приклеен как к самой медной подложке, так и к отдельным чипам, что после его удаления на поверхности диодов всё равно остаётся тонкий слой полимера. Ниже на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа можно во всей красе увидеть «скол» того самого активного слоя диода, в котором электроны «перерождаются» в фотоны:
SEM-изображения светоизлучающего слоя отдельного светодиода (стрелками указано расположение активного слоя)
А вот и текстурированный буферный слой, внимательно присмотритесь к правому нижнему изображению - оно нам ещё пригодится (стрелками указан буферный слой)
После неаккуратного обращения с чипом некоторые контакты повредились, а некоторые остались целыми
И последняя лампа - «СветаLED». Первое, что удивляет, - подложка со светодиодными модулями - внимание! - прикручена на здоровенный болтик к остальной лампе (прям как в Китае делали). Когда разбирал, думал, что может мешать «оторвать» её от остальной лампы, а потом увидел болтик… Кстати, на обороте этой алюминиевой подложки маркером! написан какой-то номер. Такое создаётся ощущение, что на заводе Светланы под Питером работают гастарбайтеры, которые собирают эти лампы вручную. Хотя нет, погодите, ведь лампочки производят военные… …
Оптические микрофотографии светоизлучающего диода от компании Светлана: на изображении-вставке отчётливо видна микроструктура подложки
На заметку: удалось разглядеть, как соединены отдельные чипы в модуле от «Светланы». Последовательно, к моему великому разочарованию. Таким образом, если «перегорит» хотя бы 1 светодиод, то весь модуль перестанет работать.
SEM-изображения светоизлучающего диода от компании Светлана (стрелочками показана активная область). На левом верхнем рисунке добавлено изображение предполагаемых контактов так, как они должны были быть проложены в модуле (4 x3 диода).
1 лампочке. Модуль у «Светланы» имеет размеры 5 на 5 мм, 2 уголка на «крышке» срезаны под 45 градусов и т.д. - многое совпадает со спецификацией «Оптогана». Продолжающийся эффект déjà vu не мучает?! А может просто всё закупается на Тайване?!
И, конечно же, выводы
Готов ли быть патриотом и назвать лампу «отечественного» (например, у «Оптогана» чипы производятся в Германии) производства лучшей по совокупности всех факторов?! Пожалуй, что нет. Честно, светодиодная лампа китайского производства меня приятно порадовала: относительная простота схемы питания диодов, простые материалы, удачное размещение светодиодов на подложке. Проблема с цветовой температурой решаема, а вот единственный минус, который меня как покупателя смущает, это долговечность лампочки из Поднебесной.
Лампы «отечественного» производства, а в особенности, «Оптоган» как всегда «радуют» своей ценой. Я больше, чем уверен, что можно было бы начать с «кустарного» дизайна, дешёвых материалов (стекло вместо поликарбоната) и заполнить нишу бюджетных источников света (вроде как богачей в России не так уж много, или я чего-то не знаю?!). Но даже не это главное, готовых вложить 1000 рублей в лампочку и не думать об их покупке в течение нескольких лет найдётся не мало. Оставим внешнее поразительное сходство между модулями, меня больше заботит другое - сходство между отдельными светодиодными чипами (геометрические размеры, расположение, контакты и т.д.). Такое ощущение, что изготавливали их на оборудовании одной и той же фирмы, только версии этого оборудования отличаются как v.1.0 и v.1.1. Конечно, я понимаю, что самое главное в светодиоде - внутренняя структура активной зоны, но, согласитесь, трудно достать 1 чип размером 160 на 500 мкм (толщина человеческого волоса 50-80 мкм) и сравнить эмиссионные спектры у чипов «Оптогана» и «Светланы».
Тем не менее, если компании «Оптоган» доработает цоколь, уберёт дорогие материалы (поликарбонат), уменьшит размеры, заменит 1 мощный чип на несколько более простых и оптимизирует драйвер (короче, вы поняли - полностью переделает лампу), то у такой лампочки будут все шансы завоевать российский рынок, так как помимо указанных недостатков, есть и масса плюсов таких, как грамотное соединение диодов в модуле, умный «драйвер» и т.д. Спасибо технической документации.
Что же касается «Светланы», то кроме простейшего драйвера, который должен влиять на цену в сторону понижения, расположения светоизлучающих модулей на подложке, плюсов-то практически и нет. Техническая документация мутная, светодиоды соединены последовательно, что при «перегорании» 1 диода выводит целый модуль из строя (т.е. в нашем случае снижает световой поток на 12,5%), размазанная повсюду термопаста - всё это уверенности не добавляет. Но, это был всего лишь прототип, может быть, промышленные образцы будут лучше.
Данная статья не имеет целью очернение или наоборот превознесение продукции одних производителей над другими. Привожу только факты, а уж вывод делать вам! Как говорится, думайте сами, решайте сами…
Видео раздел
Спасибо большое OSRAM, что подготовил столь подробное видео о том, как производит светодиоды (правда, эта компании делает светодиоды по несколько иной технологии, нежели все нами изученные лампочки):
Если есть энтузиасты готовые помочь с написанием русских субтитров - с радостью приму помощь
Процесс переноски светодиодных чипов внутрь пластикового корпуса:
А так на Тайване «фасуют» светодиодные чипы по пластиковым модулями с нанесением красителя и упаковкой в бобины:
P.S.
В среду (26.10) начнётся , на нём будет широко представлена компания «Оптоган». Надеюсь, что мой микрофон на пресс-конференции не выключат и мне удастся задать неудобные вопросы… Главное, потом живым выбраться...
P.P.S.
В свете последних личных проблем я не уверен, что найду в себе силы доделать начатую работу. А именно расквитаться с flash-памятью и дисплеями (E-Ink и ЖК). Ещё были планы и публикацию по биологическим объектам написать, но видимо и их придётся задвинуть в долгий ящик...
СПАСИБО! Всем за то, что читали и комментировали...
В темноте все цвета одинаковы.
Френсис Бэкон
Как не попасть на темную сторону? Как не ослепнуть? И как, наконец, спать спокойно и быть счастливым? Что такое меланин? И как сохранить его в организме? Если кто-то в курсе, не подсказывайте. Читайте статью до конца и найдете ответы на все эти вопросы, и не только на них! А если ответы на все вопросы вам известны, все равно читайте, повторение - мать учения. И вообще, читать полезно!
В нашем блоге раньше публиковалась статья про правильный выбор лампы . В той статье мы описывали самые разные критерии выбора лампы, и одним из них был именно критерий безопасности для здоровья. Там мы писали про ультрафиолетовое излучение и вредные пары ртути в люминесцентных лампах. Везде светодиодные лампы нам преподносят как передовой, безопасный и просто номер один источник света. Но вот так ли это? Давайте разбираться.
Сразу вас успокою, все не так плохо. Начнем с пульсации. Да, светодиодная лампа пульсирует. Точнее, чаще всего пульсирует. Дальше будут цифры, просто отбрасываем физику и вникаем. Частота электрического тока измеряется в герцах, далее Гц. В этих самых Гц измеряется и частота мерцания лампы. Давайте вспомним стандартные параметры нашей с вами сети - 220 В, 50 Гц. Касательно пульсации, то чем выше показатель в герцах, тем менее она вредна, точнее, меньше влияет на наш мозг. Итак, 100 Гц - это частота мерцания ламп накаливания и люминесцентных ламп с электромагнитными дросселями. Частота ламп, оснащенных электронным драйвером, выше - 300 Гц. Стоит пояснить, что такие частоты мерцания не различимы для человеческого глаза. И первая и вторая частоты влияют на мозг достаточно сильно. Это ведет к ухудшению настроения, понижению работоспособности, угнетенному состоянию. Плюс к этому сбивают ваши биологические часы и портят гормональный фон.
У самых внимательных наших читателей появился вопрос. Вы ведь писали раньше, что LED-лампы не пульсируют. Вот тут все как раз в деталях. Светодиодная лампа имеет в своей конструкции драйвер, который преобразует переменный ток (ток из розетки) в постоянный. Нужно это, как помним из прошлых статей, для работоспособности светодиода. Так он излучает свет при пропускании через него постоянного тока в одну сторону. Так вот, в некачественных лампах чаще всего стоит драйвер, который не преобразует переменный в постоянный, а генерирует много зарядов постоянного тока. Как понимаем из простой логики - ток уже какой-то ветреный получается, и как следствие пульсирует. В дорогих светодиодных лампах пульсация сведена к минимуму или вообще отсутствует. И в сухом остатке получается, что вредны только контрафактные лампы.
Далее поговорим про два вредных момента и как их избежать. Но обо всем по порядку. Для начала нужно понять одну истину - все светодиоды в лампах, сами по себе, имеют примерно одинаковый цвет свечения. Цветовую температуру меняют нанесением эпоксидной смолы с люминофором. Опять придется вспомнить физику. Световые волны имеют разную длину. Так самые короткие волны - самые вредные. И они имеют синий и фиолетовый свет. Это, к слову, не значит, что светодиодная лампа с желтым свечением менее вредна. Итак, эти самые синие и фиолетовые волны воздействуют на сетчатку глаза и вызывают повреждения. Существует три основных типа повреждений. Если без сложных терминов, то это химические изменения макромолекул, ударная волна световой энергии, повреждающая зрительные органы, нагревание тканей и, как следствие, ожог сетчатки глаза. Существует несколько групп риска, точнее четыре, от нулевой до третьей. Нулевая самая безопасная, а третья, ну вы сами поняли. И если под лампой с нулевой группой можно находится более десяти тысяч секунд, то под третьей не более 0,25 секунды. А теперь, вдохнули глубже и прекратили панику, я расскажу, как не потерять зрение. Главное, что нужно понять, светодиод большей мощности вреднее пропорционально своей мощности менее мощного светодиода. Так, один диод мощностью 15 ватт попадает в третью группу риска, а мощностью 0,5 ватт попадает в нулевую. Совет прост - берите лампы, в которых много диодов, а не один, и все будет классно. Кстати, есть еще один вариант – линзованные светодиоды. Линза рассеивает свет. Кстати, вообще супер вариант - это скомбинировать и первый, и второй варианты.
И последний пугающий пункт. Нарушение секреции мелатонина. Мелатонин - гормон, участвующий в работе мозга, нормализует периодичность сна и нормализует кровяное давление. Кстати, именно из-за нарушения секреции мелатонина голова болит у тех, кто долго сидит за компьютером. Помогут специальные очки для компьютера, они не пропустят вредное свечение синего спектра. Так, чувствую, запутал. Давайте по порядку. Ученые из Израиля, Италии и Америки исследовали влияние ламп на секрецию (тем, кто знал биологию, но случайно забыл, секреция - это выработка) мелатонина. В результате пришли к тому, что перед сном пару часов не стоит смотреть на яркие источники света, особенно холодного свечения. Для освещения спальни использовать лампы теплого диапазона цветовой температуры, а еще лучше лампы накаливания. И тогда секреция всяких там непонятных, но от этого не менее нужных гормонов, не пострадает.
Время подвести итоги. Выделяем себе три правила, и четко им следуем, и тогда ни один источник света не попортит нам жизнь. Первое - не покупаем дешевые светодиодные лампы, так как не знаем, что у них внутри. Скорее всего это контрафакт, а, значит, никто не проводил тестов и не может сказать, что будет с вашими глазами. Второе - не берем ламп с одним мощным диодом, а берем с большим количеством маломощных, желательно еще и линзованных. Третье - меньше компьютера и никакого яркого искусственного холодного света перед сном. И все у нас будет классно.
В последние годы массовое распространение получили светодиодные лампы, которые визуально схожи с лампами накаливания. Светодиодные устройства активно рекламируются, рекламодатели сообщают о прекрасных энергетических характеристиках продукции, большом эксплуатационном ресурсе лампочек и мощном освещении.
Однако практически никогда продавцы не говорят о том, что вред светодиодных ламп в значительной степени сводит на нет все преимущества этого вида осветительных устройств. В этой статье разберемся подробнее в том, влияют ли светодиодные факторы на ухудшение здоровья, и если да, то почему.
Негативные факторы
Существует комплекс негативных воздействий на человеческий организм, причиной которых являются светодиодные осветительные приборы .
Корпуса светодиодных ламп выполняются из экологически безопасных материалов - качественного пластика и стали. В устройствах высокой мощности радиатор производится из сплава алюминия. В отличие от люминесцентных ламп, в светодиодных изделиях не используются колбы с газом.
Влияние света на зрение
В данном случае значение имеет так называемая цветовая температура - показатель интенсивности излучения источника света. Чем выше температурный показатель, тем сильнее излучение в синем и голубом спектре. Для глазной сетчатки наиболее опасен слишком сильный синий свет, под воздействием которого она начинает деградировать. Холодный белый свет несет опасность для детей, поскольку структура их глаз еще недостаточно развита и возможно получение травмы.
Чтобы уменьшить раздражающее воздействие света, рекомендуется «разбавлять» свет от LED-источников лампами накаливания небольшой мощности (до 60 Вт). Также можно задействовать светодиодные устройства, дающие теплый белый свет. Такие световые источники (без повышенного коэффициента пульсации) не причиняют вреда здоровью.
Уровень цветовой температуры указывается на упаковке товара. Температурная норма находится в пределах 2500-3200 К.
Мерцание
Вред светодиодных ламп может выражаться в их мерцании с определенной частотой. Поражающее влияние на психику человека оказывают частоты в диапазоне 8-300 Гц. Причем такие мерцания незаметны и, тем не менее, могут отрицательно влиять на нервную систему.
Необходимо, однако, заметить, что в качественной продукции выходное напряжение драйвера тщательно фильтруется, в результате чего переменная составляющая сводится на нет. Так удается снизить уровень пульсаций до менее чем 1 %. Если в лампу вмонтирован импульсный блок питания, то коэффициент пульсаций может доходить до 10 %, не причиняя вреда человеку.
Обратите внимание! Устройства с хорошими драйверами не бывают дешевыми. Экономия в данном случае может осуществляться только в ущерб здоровью.
Влияние на выделение мелатонина
За качество сна, его ритм и периодичность, отвечает гормон под названием мелатонин. Также мелатонин стабилизирует окислительные процессы на безопасном уровне, что замедляет процессы старения. У здорового человека этот гормон достигает максимальной концентрации с наступлением темного времени суток. В результате появляется желание поспать. При работе по ночам организм подвергается воздействию многих раздражающих факторов, в число которых входит и искусственное освещение. Продолжительное и регулярное пребывание под действием светодиодного света особенно негативно сказывается на качестве зрения.
Обратите внимание! Долгое пребывание возле монитора со светодиодной подсветкой является одним из факторов, способствующих бессоннице.
Электромагнитное излучение
Вред светодиодных ламп, связанный с электромагнитным излучением, считается преувеличенным. Высокочастотные импульсы действительно ухудшают сигналы радиоаппаратуры и Wi-Fi приемников, находящихся поблизости. Однако для человеческого организма LED-лампы значительно менее ощутимы по сравнению с мобильными телефонами или микроволновыми печами.
Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение
Чтобы получить ответ на вопрос о вреде ультрафиолета и инфракрасных лучей, необходимо провести анализ двух вариантов получения белого светодиодного света. В первом случае в корпус помещаются три кристалла - белый, красный и зеленый. Эксперимент показывает, что длина волн не покидает пределов видимого спектра, а значит, светодиоды не создают поток света в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.
Второй вариант предусматривает получение белого света нанесением люминофора на синий светодиод. В результате смешения белого потока, создаваемого люминофором, и желтого - от светодиода – получаются разнообразные оттенки белого. Результаты опыта показывают очень незначительное ультрафиолетовое излучение, безопасное для человеческого организма. Интенсивность инфракрасного излучения в начале диапазона длинных волн находится в пределах 15 %, что намного меньше, чем в случае со стандартной лампой накаливания.
Стандартизация светодиодных ламп
Существует устойчивое мнение, что светодиодные осветительные приборы не стандартизированы. Отчасти такое утверждение можно считать неправильным. Да, отдельный стандарт отсутствует, но светодиодные лампы описаны в общей нормативной документации, которая нормирует влияние искусственного света на человека.
К примеру, в одном из пунктов ГОСТа, касающегося светобиологической безопасности, указываются условия и методы расчетов характеристик ламп, в том числе и светодиодных. В соответствии с буквой регламента все осветительные устройства непрерывной волны по уровню опасности для зрения подразделяются на четыре группы. Риски определяются по итогам эксперимента в результате измерения уровней ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Также анализируется характер синего света и воздействие тепла на глазную сетчатку.
Один из пунктов Свода правил регламентирует требования к разным типам освещения. Так, например, светодиодные устройства упоминаются в разделе «Искусственное освещение». Нормируются технические параметры осветительного оборудования, указывается, что его характеристики не должны выходить за рамки значений, указанных в правилах.
К примеру, для ламп искусственного освещения цветовая температура может находиться в пределах от 2400 до 6800 К, а наивысший уровень ультрафиолетового излучения фиксируется на уровне 0,03 Вт на квадратный метр. Также описываются допустимые коэффициенты пульсации, световой отдачи и освещенности.
Продукция китайских производителей
Об опасности дешевой продукции сказано выше. Светодиодные устройства от китайских производителей в целом можно охарактеризовать как низкокачественные. Изделия дешевле 200 рублей за единицу часто оснащаются некачественным блоком преобразования напряжения. Вместо драйверов такие модели комплектуются блоком питания без трансформатора, который нейтрализует переменную составляющую с помощью полярного конденсатора. При этом небольшая емкость не позволяет конденсатору осуществить полноценную нейтрализацию. В результате коэффициент пульсаций в некоторых случаях достигает 60 %, что чрезвычайно вредно для человеческого глаза и психики.
Уменьшить негативное воздействие такой продукции можно двумя способами. В первом случае нужно заменить электролит на аналог с емкостью порядка 470 мкФ (в том случае, если это технически возможно). В любом случае такие лампы можно использовать лишь в помещениях с невысоким зрительным напряжением (туалет, коридор и т.п.). Другой способ предусматривает замену некачественного блока на драйвер с преобразователем импульсного типа.
Обратите внимание! Многие специалисты заявляют, что вред, причиняемый светодиодными лампами, преувеличен. Однако признают, что проблема синего света пока не нашла решения, а потому нужно обращать особое внимание на цветовую температуру.
Если значение параметра К превышает 4 тысячи единиц, следует отказаться от приобретения таких светодиодных ламп. Такие осветительные приборы предназначены для освещения улиц и производственных помещений.
Добрый день дорогие друзья! Раз всех приветствовать на сайте "Электрик в доме". В последнее время востребованность светодиодных изделий постоянно возрастает. Использование инновационных источников света находит применение в различных отраслях народного хозяйства.
Светодиодными лампами оснащаются новые авто, освещаются дома, помещения предприятий и стенды наружной рекламы. Они применяются в прожекторах, уличных и офисных светильниках, а также во множестве других изобретений человека.
Понятие даже не подразумевает количество отдаваемого ими тепла, а имеет совершенно другое значение. Это – визуальный эффект восприятия источника освещения человеческим глазом. По мере приближения цветового спектра света к солнечному (желтому) определяют «теплоту» каждой лампы.
Можно также привести ассоциацию с пламенем свечи, и вы тут же поймете, как это явление описывается. Напротив, голубоватый оттенок света ассоциируется с пасмурным небом, снежным ночным сиянием. Этот свет вызывает у нас холодные, бледные образы. Но всему есть определенное научное объяснение.
При нагреве куска металла, у него появляется характерное свечение. Сначала диапазон цвета находится в красных тонах. При повышении температуры цветовой спектр постепенно начинает смещаться к желтому, белому, ярко синему и фиолетовому.
Каждому цвету свечения металла соответствует свой температурный диапазон, что позволяет описать явление при помощи известных физических величин. Это помогает дать характеристику цветовой температуре не как случайно взятой величине, а как определенному промежутку нагрева до получения требуемого цвета спектра.
Спектр цвета свечения светодиодных кристаллов несколько иной. Он отличен от возможных цветов свечения металла благодаря другой методике своего происхождения. Но общая суть остается той же: для получения выбранного оттенка потребуется определенная цветовая температура. Стоит отметить, что этот показатель никак не связан с количеством тепла, выделяемым осветительным прибором.
Еще раз хочу отметить, не стоит путать цветовую температуру и физическую температуру (количества тепла) которую выделяет ваша лампа, это разные показатели .
Шкала цветовой температуры светодиодных ламп
Сегодняшний отечественный рынок предлагает огромный ассортимент источников света на светодиодных кристаллах. Все они работают в различных температурных диапазонах. Обычно их выбирают в зависимости от места предполагаемой установки, ведь каждая такая лампа создает свой, индивидуальный облик. Одно и то же помещение можно существенно преобразить, изменив в нем лишь цвет освещения.
Для оптимального применения каждого светодиодного источника света следует заранее определиться, какой цвет вам наиболее удобен. Понятие цветовой температуры не связано конкретно со светодиодными лампами, его нельзя привязать и к определенному источнику, оно зависит лишь от спектрального состава выбранного излучения. Цветовая температура всегда была у каждого светового прибора, просто при выпуске стандартных ламп накаливания их свечение было только «теплым» желтым (спектр излучения был стандартным).
С появлением люминесцентных и галогеновых источников освещения вошел в обиход белый «холодный» свет. Светодиодные лампы характеризуются еще более широкой цветовой гаммой, за счет чего самостоятельный выбор оптимального освещения усложнился, а все его оттенки стали обуславливаться материалом, из которого выполнялся полупроводник.
Связь цветовой температуры и освещения
Четкое знание табличных значений данной характеристики помогает осознать, о каком цвете будет идти дальше речь. Каждый из нас отличается своим цветовосприятием, поэтому определить визуально холодность или теплоту светового потока удается лишь единицам.
За основу принимают усредненные показатели группы изделий, работающих в заданном спектре, а при окончательном выборе светодиодных светильников учитывают конкретные условия их эксплуатации (место установки, освещаемое пространство, назначение и др.).
Сегодня все источники освещения в зависимости от их диапазона свечения относят к трем основным группам:
- - теплого белого света – работают в температурном диапазоне от 2700K до 3200K. Излучаемый ими спектр белого теплого света сильно схож со свечением обычной лампы накаливания. Лампы с такой цветовой температурой рекомендованы к использованию в жилых помещениях .
- - дневного белого света (нормального белого) – в диапазоне от 3500K до 5000K. Их свечение визуально ассоциируется с солнечным утренним светом. Это световой поток нейтрального диапазона, который можно использовать в квартирных технических помещениях (прихожей, ванной, туалете), офисах, учебных классах, производственных цехах и так далее.
- - холодного белого света (дневного белого) – в диапазоне от 5000K до 7000K. Напоминает яркий дневной свет. Им освещают больничные корпуса, технические лаборатории, парки, аллеи, парковки, рекламные щиты и др.
| Цветовая температура | Тип света | Где применяется |
| 2700 К | свет «теплый белый», «красновато-белый», теплая часть спектра | Характерно для обычных ламп накаливания, но встречается и в LED лампах. Используется в уютном домашнем интерьере, способствует отдыху, расслаблению. |
| 3000 К | свет «теплый белый», «желто-белый», теплая часть спектра | Бывает в некоторых галогеновых лампах, также встречается в светодиодных. Чуть холоднее предыдущего, но также рекомендовано для жилого фонда. |
| 3500 К | свет «дневной белый», белая часть спектра | Создается флуоресцентными трубками и некоторыми модификациями светодиодных ламп. Подходит для квартир, офисов, общественных помещений. |
| 4000 К | свет «холодный белый», холодная часть спектра | Незаменимый атрибут стиля хай-тек, но подавляет своей мертвенной бледностью. Используется в больницах, и в подземных объектах. |
| 5000 К - 6000 К | свет «дневной» «бело-синий», дневная часть спектра | Прекрасная имитация дня для рабочих и производственных помещений, теплиц, оранжерей, террариумов и т.п. |
| 6500 К | свет «холодный дневной» «бело-сиреневый», холодная часть спектра | Подходит для уличного освещения, складских помещений, освещения промышленных объектов. |
Из приведенных характеристик прекрасно видно, что при низкой цветовой температуре преобладает красный, а отсутствует синий цвет. Когда температура увеличивается – появляются зеленый и синий цвета, а красный исчезает.
Где можно узнать про данный параметр?
На упаковке каждой лампы освещения производители указывают ее технические характеристики . Среди всех прочих характеристик, таких как мощность, напряжения, частота сети, обязательно указывается (это относится не только к LED лампам). На этот основной фактор обязательно стоит обращать внимание перед покупкой лампы.
Кстати говоря, данная характеристика отображается не только на упаковке, но и на самой лампе. Вот один из примеров, LED лампа мощностью 7 Вт и температурой 4000К. Установлена она у меня дома, на кухне, светит приятным дневным светом.
А вот еще один пример обозначения на светодиодном точечном светильнике для гипсокартонных потолков , температура 2800 Кельвинов. Светильники с такой цветовой температурой светят теплым светом похожим на лампу накаливания и были установлены в спальной комнате на одном из объектов.
Какие лампы выбрать для офиса
В нормативном документе СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение» рекомендует использовать различные источники излучения в зависимости от их типа, мощности, построения и характеристик светового потока. Помещения жилого фонда предписывается оборудовать небольшими и низкотемпературными «теплыми» световыми приборами, а в нежилом фонде устанавливать более крупные светильник нормального «белого» света.
Доказано, что белое освещение оптимально для рабочего процесса, так как содержащаяся в нем часть синего спектра благотворно влияет на человека, помогает ему сконцентрироваться, ускоряет реакцию и рабочие процессы организма. Хорошо выбирать источники излучения именно от 3500K до 5600K, с белым или нейтральным светом, с чуть синеватым оттенком. Такое освещение даст возможность увеличить работоспособность до максимальной отметки.
Подойдут как люминесцентные, так и светодиодные светильники , хоть последние дадут существенную экономию энергоресурсов.
Напротив, большой ошибкой будет установка в таком месте светильников холодного белого света с диапазоном, близким к 6500K. Это приведет к быстрой утомляемости работников, жалобам на головную боль и резкому снижению работоспособности.
Какие лампы подходят для дома
В квартирах и частных домах белый свет не рекомендован. Не обязательно размещать везде одинаковые светильники, лучше воспользоваться индивидуальными рекомендациями по оборудованию освещения в таких помещениях. Можно установить белые нейтральные светильники на кухне, в санузле и прихожей. Их температура может варьироваться от 4000K до 5000K.
Но для спальни, детской и комнат, где вы отдыхаете, предпочтительно использовать теплые тона светового спектра. Тут лучшим решением будет теплый белый свет ближе от 2700K до 3200. Он снимет дневную напряженность, создаст уют и позволит расслабиться.
Удобно и эффективно пользоваться нормальным белым светом в зоне чтения и рабочем уголке, а также для подсветки зеркал, перед которыми наносится макияж. Этим вы добьетесь максимального цветового контраста и удобств для выполняемых действий.
Нас приучают к экономии электроэнергии. Изымаются из обращения лампы накаливания, их место постепенно занимают источники света, потребляющие меньшую мощность при излучении того же светового потока. Казалось бы, использование компактных люминесцентных (КЛЛ) и светодиодных ламп несет очевидную пользу, раз их продвижение на рынке формируется на государственном уровне. Вопрос о целесообразности применения КЛЛ вызывает небезосновательные споры, но есть ли вред от светодиодных ламп?
На сегодняшний день светодиодная лампочка – самый экономичный источник света, обладающий рядом неоспоримых преимуществ перед КЛЛ:
- отсутствие в конструкции хрупких деталей (стеклянной колбы);
- мгновенное зажигание;
- нет нитей накала, являющихся слабым узлом КЛЛ, наиболее часто выходящим из строя;
- перспективы развития, возможность встраивания светодиодов в любые устройства из-за их небольших габаритов;
- низкий потребляемый ток делает экономически целесообразной возможность работы светодиодных источников света от аккумуляторов.
И самое главное – в отличие от КЛЛ светодиодные лампы не содержат в себе вредных веществ. А следовательно, не требуют утилизации, так как не загрязняют окружающую среду. Внутри колбы КЛЛ содержится небольшое количество ртути. А вредны ли светодиодные лампы для здоровья?
История создания светодиодов
Явление излучения света твердотельным диодом первым обнаружил Генри Раунд, британский экспериментатор. Независимо от него прототип светодиода был получен в 1927 году советским ученым Олегом Владимировичем Лосевым. Работу первого светодиода красного цвета, пригодного для промышленного изготовления, продемонстрировал американский изобретатель Ник Холоньяк в 1962 году.
Но светодиоды далеко не сразу стали использовать для освещения. Этому препятствовал их монохромный спектр излучения.
Принципиально конструкция светодиода мало отличается от обычного диода. В нем также используются свойства p-n-перехода, возникающего на границе соприкосновения полупроводниковых кристаллов разной проводимости. Но, при добавлении определенных добавок в эти кристаллы, при рекомбинации электронов и дырок излучается квант света. Длина волны излучения (то есть, его цвет) зависит от материала этих добавок. Они подбирались экспериментально, поэтому эволюция цвета излучения этих приборов затянулась на годы.
Вслед за изобретением красного светодиода в разное время были изобретены приборы с желтым, зеленым, оранжевым и инфракрасным светом излучения. Но пока их стоимость была относительно высокой, а интенсивность излучения позволяла использовать только для индикаторных приборов или в устройствах управления на ИК-лучах.
Серьезным шагом на пути к светодиодным лампам стало изобретение синего светодиода японскими учеными в 1990 году, удостоенных за это Нобелевской премии. Прибор обладал несомненным преимуществом – он был дешев. До светодиодных источников света оставалось совсем немного.
Принципы свечения светодиодных ламп
Из чего состоит солнечный свет? Это можно увидеть на примере радуги. В ней видимые цветовые составляющие излучения нашего светила различимы невооруженным глазом.
Светодиод не может заменить свет солнца, так как его свечение эквивалентно лишь небольшой части спектра солнечного излучения. Но с изобретением синего светодиода такое стало возможным. Есть два способа, с помощью которых решают эту задачу.
Вспомним принцип работы люминесцентной лампы или КЛЛ. В ней ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимый свет с помощью люминофора, покрывающего внутреннюю стенку колбы. Были изобретены люминофоры, реагирующие не только на ультрафиолетовый, но и на синий цвет. Осталось покрыть ими поверхность светодиода – и лампа почти готова.
Второй способ основан на смешении цветов, когда две светящиеся точки разного цвета воспринимаются глазом как излучение совершенно другого оттенка. На этом принципе работают все телевизионные трубки и мониторы. Это оказалось возможным и при использовании светодиодов. Полупроводниковые кристаллы, излучающие красный, зеленый и синий цвета с одинаковой интенсивностью и помещенные близко друг к другу, воспринимаются глазом как источник белого света.
Но этот способ не так уж и прост. Точно получить нужный оттенок в промышленных масштабах — сложная задача. Поэтому метод смешения используется в основном в устройствах с изменяемым пользователем цветом свечения. С помощью излучения красного, зеленого и синего цвета можно получить любой цвет свечения, существующий в природе.
Питание светодиодных ламп
Но светодиод – это еще не лампа. Напряжение сетей электропитания – 220 В. А напряжение, нужное светодиоду для работы — единицы вольт. Мало того, при небольшом его увеличении относительно номинальной величины ток через прибор возрастает многократно. Поэтому для включения светодиодной лампы в сеть потребовалось применить специальное устройство – драйвер.
Лампа состоит из нескольких светодиодов, соединенных последовательно. Драйвер обеспечивает такое напряжение питания этой цепочки, чтобы ток через нее был номинальным. Но при этом переменное напряжение сети выпрямляется, становится постоянным.
Казалось бы, зачем, ведь светодиод как и диод обычный и так пропускает ток только в одном направлении? Но если заставить его работать от переменного напряжения, свет от лампы будет пульсировать в такт с напряжением сети – с частотой 50 Гц. А теперь мы все ближе и ближе подходим к влиянию светодиодных ламп на зрение.
Откуда берутся пульсации света?
Источники света, работающие от сети 50 Гц, пульсируют все, но каждый по-своему.
Пульсации от лампы накаливания сглаживаются из-за того, что ее нить имеет тепловую инерцию. Она не успевает остыть между полупериодами питающего напряжения.
Люминесцентные лампы с обычным дросселем и лампы ДРЛ четко пульсируют с частотой сети. Избавиться от этого можно, запитав соседние лампы от разных фаз сети или сдвинув между ними фазу напряжения при помощи конденсатора.
Пульсации от источников света, имеющие источники питания с преобразованием переменного тока в постоянный, теоретически имеют минимум пульсаций. Это:
- люминесцентные лампы с полупроводниковыми ПРА (ЭПРА);
- компактные люминесцентные лампы;
- светодиодные лампы.
Но радоваться рано: от их пульсаций владелец экономичного источника света вовсе не застрахован. Светодиодные лампы – самый дорогой продукт. И тут в действие вступают законы рынка: больше покупают товары, цена которых ниже. А себе в убыток производители работать не станут.
Удешевление светодиодных ламп возможно только за счет уменьшения количества электронных компонентов в схеме драйвера. За сглаживание пульсаций отвечает электролитический конденсатор, фильтрующий выпрямленное напряжение. С удешевлением драйвера его емкость уменьшается. Может устанавливаться конденсатор худшего качества, очень быстро теряющий свои свойства при работе. А еще он может и вовсе отсутствовать.
Понять, что лампа излучает пульсирующий свет, при ее покупке и в эксплуатации невозможно. Для этого нужны специальные приборы, которые есть даже не во всех СЭС.
Влияние пульсаций на здоровье
А вредны ли пульсирующие светодиодные лампы для здоровья? Да, пульсации света негативно сказываются на самочувствии людей. Они приводят к повышенной утомляемости, воздействуя на фоторецепторные элементы сетчатки. Мы этого не ощущаем, но наши органы зрения пытаются скорректировать полученное изображение так, чтобы оно воспринималось равномерно освещенным, без пульсаций. Естественно, что решать эту задачу в течение длительного времени им непросто, в итоге при постоянном воздействии такого освещения зрение неизбежно начнет ухудшаться.
Этот факт доказан и отечественными, и зарубежными исследователями. Особенно опасно воздействие пульсаций на детский организм, у которого органы зрения еще развиваются и формируются. Наиболее подвержены влиянию этого вредного фактора подростки в возрасте 13-14 лет.
Цветовая температура
Ощущаемый глазом цвет свечения источников света характеризуют параметром, называемый цветовой температурой. Значения этого параметра и из обозначения перекочевали к светодиодным лампам от люминесцентных и КЛЛ, в конструкции которых тоже есть люминофор. Цветовой оттенок источников света тоже влияет на здоровье человека.
Теплый свет почти эквивалентен свету от лампы накаливания. Человеческий организм инстинктивно считает его похожим на свет от солнца во время восхода, и настраивается на активную деятельность. Лампочки именно такого, желтоватого цвета свечения рекомендуются для жилых помещений, они создают ощущение уюта.
Но многие люди все-таки предпочитают использовать лампы белого цвета. Теплый свет мрачноват и создает ощущение нехватки освещенности.
В спектре холодного и дневного света начинается преобладание синих оттенков. Визуально кажется, что осветительные приборы, снабженные такими лампочками, светят ярче.
Но в быту применять лампочки холодного и белого света не рекомендуется. Синий цвет характерен для сумерек, наступающих после заката солнца. Поэтому и настраивает человеческий организм соответствующим образом, готовя ко сну. Длительная работа при освещении с соответствующей цветовой температурой приводит к повешенной утомляемости, потере концентрации. Поэтому эти лампы советуют использовать только для наружного и декоративного освещения.
Что нам скажет медицина?
Вред светодиодных ламп синего спектра излучения изучался и продолжает исследоваться учеными. Отрицательное воздействие его на сетчатку глаза уже доказано.
К примеру, испанские ученые проводили эксперименты с двумя группами одинаковых клеток сетчатки, выращенными в лабораторных условиях в питательной среде. Одна группа, контрольная, не подвергалась излучению и находилась в комфортных для развития условиях. Другую подвергали облучению светодиодами разных спектров свечения. Затем определяли и сравнивали количество погибших клеток в тестовых группах.
Наибольший процент гибели клеток наблюдался при облучении синими светодиодами. Хотя источники света с другими цветовыми температурами вызывали тот же эффект, но в меньшей степени.
Однако сами ученые сделали вывод, что эксперименты нужно продолжать для получения более конкретных данных. Из чего следует сделать вывод, что окончательного заключения, приносят ли светодиодные лампы вред, пока нет. Ведь лабораторные исследования не учитывают тот факт, что клетки сетчатки способны к регенерации. Нужны четкие рекомендации: сколько времени в течение суток человек может находиться и работать под воздействием светодиодного излечения, а сколько – находиться на улице при естественном освещении или спать.
Медики, наблюдающие за учащимися в школьных учреждениях, отмечают снижение зрения у подростков. Но эти данные тоже нельзя четко связать с воздействием освещения, особенно светодиодного. Не стоит забывать, что подавляющее большинство учащихся все свое свободное время проводят за компьютерами. И световое воздействие от их мониторов вполне может оказаться более губительным для зрения, чем освещение школьного класса.
Светодиодные лампочки – относительно молодой вид осветительных приборов. Статистики по воздействию света от них на здоровье глаз накоплено пока недостаточно, а результатов исследований пока мало. Да и качество лампочек, как уже отмечалось, не всегда высокое.
Поэтому в 2010 году вышли дополнения к «Санитарным правилам и нормам», касающихся искусственного и совмещенного освещения. Вот дополнения, коснувшиеся светодиодного освещения:
- цветовая температура используемых для освещения ламп 2400˚К — 6800˚К;
- ультрафиолетовое излучение в спектре длин волн 320-400 нм не должно превышать 0,03 Вт/м 2 ;
- светильники, в которых применяются светодиодные лампочки, должны исключать прямое попадание света на сетчатку глаза (для исключения такого явления, как ослепление);
- в детских и образовательных учреждениях рекомендуется использовать лампы накаливания и люминесцентные источники света.
Про светодиодные лампы в школах – ни слова. И никак не оговорен тот факт, что люминесцентные лампы создают пульсации светового потока, с которыми требуется серьезная борьба. Полностью лишены этого недостатка только лампы с полупроводниковыми ПРА, выпускаемые серьезными фирмами. Но кто будет покупать в школу дорогое электрооборудование?