На сегодняшний день потребитель светодиодного освещения в РФ привык оценивать осветительные приборы со светодиодными источниками света в сравнении с более привычными источниками света, например, с лампами накаливания. Оценка соответствия обычно производится только по одному критерию — яркости получаемого освещения.
Светодиодные лампы представленные на рынке РФ, в основной своей массе, имеют энергоэффективность 80Лм/Вт и выше, что позволяет без потери яркости заменять лампы накаливания и галогенные лампы. Но, при этом мало кто задумывается о потере в качестве «освещения», в то время как фактор качества света даже более важен, чем фактор яркости освещения.
Наиболее часто качество освещения оценивают по пульсациям освещенности от источника света и по спектру излучаемого света.
Подробно вопрос пульсаций освещенности рассмотрен в статье «Пульсации освещенности: какой вред и как себя уберечь» , найти которую вы можете, пройдя по ссылке:
В этой статье будет рассматриваться вопрос качества спектра излучения светодиодов и может ли светодиодное освещение приносить вред.
Наиболее существенным для человека участком оптического спектра является видимый свет.
Границы длин волн видимого излучения согласно ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность», находятся в диапазоне от 360-400 нм до 760-830 нм. Точных пределов не существует, так как это зависит от мощности достигаемого сетчатки глаза излучения и чувствительности наблюдателя.
Свет в этом диапазоне длин вол улавливается зрительным органом человека — глазом и позволяет получать до 90% информации об окружающем мире.
Основные фоторецепторы сетчатки глаза — нервные клетки, чувствительные к свету, — так называемые «палочки» (различают свет) и «колбочки» (различают цвет и форму предметов). Информация от сетчатки глаза в виде нервных импульсов передается в кору больших полушарий головного мозга. Но свет воспринимается не только палочками и колбочками, но и иными элементами сетчатки, не участвующими в формировании зрительного восприятия. Эти элементы передают энергию света в незрительные отделы головного мозга, которые регулируют нейроэндокринную систему организма, определяют циркадные биоритмы (периоды бодрствования и сна), влияют на общее ощущение бодрости, трудоспособности, что в конечном итоге определяет психологическое состояние человека и влияют на его здоровье.
Прежде всего, освещение влияет на синтез «гормона сна» — мелатонина. Установлено, что незрительные фоторецепторы максимально чувствительны к коротковолновым излучениям видимого света — т.е. к синему и УФ спектру излучения. Под воздействием света происходит подавление активности мелатонина, что провоцирует синтез «гормона стресса» — кортизола.
Снижение уровня гормона мелатонина и увеличение уровня гормона кортизола в крови может привести к следующим последствиям:
- расстройство сна;
- снижение как умственной так и физической работоспособности;
- снижение активности иммунной системы;
- снижается устойчивость к стрессовым ситуациям;
- риск возникновения депрессии;
- риск обострения хронических заболеваний.
Излучение светодиодов белого света представляет собой «сумму» двух излучений: излучение синего светодиода и излучение желтого люминофора, который высвечивает часть световой энергии светодиода. Линейчатый спектр синего светодиода дает ярко выраженную полосу излучения в сине-голубой области спектра 440-460 нм. На рисунке ниже спектр излучения белого светодиода 5000К:
В статье «О биологическом эквиваленте излучения светодиодных и традиционных источников света с цветовой температурой 1800–10000 K» были проанализированы особенности биологического воздействия излучения различных источников света на степень биологической активности по мелатонину в крови человека.
Чем ниже биологический эквивалент, тем ниже воздействие источника света на секрецию гормона мелатонина. По этим результатам можно судить, что компактные люминисцентные лампы и светодиодные лампы с цветовой температурой 2700К и индексом цветопередачи выше 80 имеют даже меньшую активность к мелатонину чем лампы накаливания. Светодиодные лампы с цветовой температурой 3000-3200К имеют чуть большую биологическую активность. А вот любителям холодного цвета свечения не повезло: биологическая активность таких ламп в 2,3 раза превышает активность лампы накаливания.
Помимо подавления активности мелатонина, также существует опасность повреждения сетчатки глаза коротковолновым видимым излучением (длины волн 440-460 нм). Особенно такая опасность касается детских глаз, у которых хрусталик практически вдвое прозрачнее в сине-голубой области спектра, чем у взрослых людей. По результатам исследований наименее опасными для зрения представляются светодиоды с цветовой температурой не выше 4000К, у которых уровень излучения в сине-голубой области спектра не превышают уровень в желто-оранжевой области.
Повреждение сетчатки глаза излучением сине-голубой области спектра — это длительный процесс, результаты которого накапливаются в течение всей жизни. Возможные последствия — медленное необратимое падение зрения.
Способы предотвращения негативного влияния искусственного освещения:
- Не использовать в помещениях с продолжительным пребыванием людей осветительных приборов со светодиодами с цветовой температурой выше 3000К (лучше 2700К). Индекс цветопередачи должен быть не ниже 80 (лучше Ra>85).
- Отдавать предпочтение источникам света с матовым рассеивателем, чтобы снизить слепимость от источника света.
- В детских лучше устанавливать галогенные лампы или лампы накаливания они обеспечивают комфортный непрерывный спектр излучения и высокий индекс цветопередачи — приняты за эталонный источник света.
- Избегать яркого освещения в конце рабочего дня, это позволит более легко и плавно отойти ко сну. В быту для понижения яркости можно использовать лампы, подходящие для работы с диммером (только они должны быть с качественным источником питания, чтобы не было пульсаций освещенности).
- Никогда не смотрите на работающую лампу.
Всем здоровых глаз и хорошего самочувствия.
В статье использовались материалы из источников:
- Б.Ю. Айзенберг – «Справочная книга по светотехнике», 3-е издание, 2006г.
- ГОСТ Р 62471-2013 «Лампы и ламповые системы.Светобиологическая безопасность», Стандартинформ, 2014.
- П.П. ЗАК, М.А. ОСТРОВСКИЙ: «Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков», журнал «Светотехника» №3, 2012г.
- А.В. АЛАДОВ, А.Л. ЗАКГЕЙМ, М.Н. МИЗЕРОВ, А.Е. ЧЕРНЯКОВ: «О биологическом эквиваленте излучения светодиодных и традиционных источников света с цветовой температурой 1800–10000 K», журнал «Светотехника» №3, 2012г.
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 . 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 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». В 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. Относительно 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 , а от приобретения дешевой продукции из Китая лучше воздержаться.
) 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...
Еще совсем недавно лампы на основе диодов в наших домах были редкостью. Буквально лет пять назад повсеместно рекламировались энергосберегающие люминесцентные светильники, которые казались очень хорошим вариантом освещения для экономии электроэнергии и замены ламп накаливания в быту и на производстве. Были разработаны даже программы перехода на энергосберегающее освещение, причем в масштабе страны. Вплоть до того, что лампы накаливания грозились вот-вот запретить. Помню, примерно в 2011 году, в одной из телепередач демонстрировались различные виды энергосберегающих ламп для дома и были показаны, в том числе, диодные светильники. Но их изготовители объясняли, что такие лампы, хотя и экологичные, но маломощные и очень дорогие, и вряд ли смогут в ближайшее десятилетие конкурировать с люминесцентными энергосберегающими лампами в быту.
Жизнь опровергла этот прогноз. Стремительный прогресс в светодиодном освещении действительно удивляет. Мощность ламп растет, стоимость снижается. Сейчас лампочку на 11 Вт (эквивалент лампы накаливания 75 Вт) можно купить за 100 - 150 руб. При этом срок службы, заявленный для лампы - 50000 часов. Лампы стали по форме неотличимы от привычных ламп накаливания, белый свет может быть холодного и теплого оттенка. Этот новый осветительный прибор теперь есть почти в каждом доме.
Но, как и все новые приборы, светодиодная лампа вызывает вопросы и настороженность. Не принесет ли она вред здоровью, зрению? Какие недостатки, возможно, скрывает производитель, стараясь получить прибыль? Мы опубликовали уже на нашем сайте ряд статей о новых приборах (Вредно ли разогревать пищу в микроволновке? Вред и польза инфракрасного нагревателя . Вред и польза индукционной плиты .) Сейчас очередь бытовой светодиодной лампы.
Прежде всего, небольшое разъяснение о принципе работы светодиодной лампы. Международное название такой лампы LED (light-emitting diode).Стандартный светоизлучающий диод содержит три слоя полупроводниковых материалов. Электрическое напряжение заставляет электроны от анода (n-слоя) и дырки от электрода (p-слоя) двигаться в промежуточный слой, где они рекомбинируют с излучением фотонов. Промежуточный слой представляет собой специальный кристалл с определенной шириной запрещенной зоны. Ширина этой зоны, а также примеси в кристалле определяют цвет излучения. В начале 1960-х созданы первые промышленные образцы светодиодов на основе фосфорида и арсенида галлия, излучающие красный свет, а потом и зеленый. Уже тогда эти устройства были эффективнее обычных ламп накаливания. Применялись они в качестве разнообразных цветовых индикаторов. Однако получить дешевый и яркий синий светодиод долго не удавалось. А без добавления синего цвета, как известно, невозможно получить белый свет, необходимый для освещения домов.
Не удивительно, что нобелевская премия по физике в 2014 году была вручена японским ученым Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) за разработку «принципиально новых экологически чистых источников света», а именно за изобретение синих светодиодов, которые в комбинации с красными и зелеными могут дать прекрасный белый источник света. Главная трудность в изобретении синего светодиода заключалась в поиске хорошего кристалла для промежуточного слоя. Чтобы он излучал синий свет, необходим материал с большой шириной запрещенной зоны. Решение было найдено, когда предложили использовать светодиод с кристаллом из нитрида галлия (GaN) на сапфировой подложке. Промежуточный слой подвергался специальной термообработке и получал примеси не только магния, но и цинка, а потом — и индия. Хотя изобретение японских ученых было сделано еще в середине 90-х годов 20 века, его практическую значимость оценили и стали повсеместно использовать в 21 веке. В 2001 г. была впервые доказана возможность применения в светодиоде кварцевой подложки, вместо сапфировой, что открыло дорогу для производства более дешевых ламп.
Сейчас множество компаний выпускают бытовые светодиодные лампы и светильники. Крупнейшими производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург).
Рассмотрим сначала преимущества таких ламп. Их не так мало и они довольно убедительны.
- Высокая световая отдача, достигающая 146 люмен на ватт.
- Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания, хрупкого стекла)
- Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Срок службы лампы сильно зависит от температуры. При эксплуатации при температурах выше комнатных срок службы сокращается.
- Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 с до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
- Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп). Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 °C.
- Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
- Экологичность — отсутствие ртути и фосфора внутри лампы.
Технология постоянно совершенствуется, для того, чтобы сделать лампы более экологичными, приносящими только пользу нашим глазам. Однако, как и в случае с другими приборами, есть дешевые и дорогие варианты. Производители порой не указывают на коробке всех характеристик. Рассмотрим кратко, какие проблемы могут волновать людей при использовании ламп со светодиодами.
1. Это, прежде всего, спектр излучения. В 2013 Интернет облетела информация о вреде LED-освещения, со ссылкой на исследование испанских ученых из Университета Комплутенсе, которое показало, что свет, который излучают светодиодные лампы, может существенно повредить сетчатку человеческого глаза. Более того, эти повреждения могут быть настолько сильными, что никакие медикаментозные и операционные процедуры уже не смогут помочь. Иногда встречаются заметки о том, что якобы в спектре светодиодных ламп присутствует жесткая синяя и даже ультрафиолетовая составляющая, вредная для наших глаз. Действительно, существуют санитарные нормы УФ облучения сетчатки, которые рекомендуется не превышать. Заметим, что самый сильный источник УФ излучения - это Солнце. Все эксперименты для подтверждения вредности УФ излучения проводились на животных и вредное влияние на сетчатку было отмечено только при длительной облучении очень ярким светом.
На следующем рисунке показан спектр четырех ламп - одной лампы накаливания и трех светодиодных ламп. Рисунок взят из публикации 2011 г. на сайте http://geektimes.ru/post/253792/ .
Самый низкий пик кривой спектра в диапазоне 400-500 нм. - у лампы Оптоган. Поэтому у этой лампы самая низкая цветовая температура, она равна 3050 °С. (Интересно, что стоимость такой лампы была в 2011 г. равна 995 руб.!) Как мы уже говорили, прогресс достигнут огромный. Сейчас уже большинство бытовых осветительных ламп имеют цветовую температуру 2700-3000 К, которая далека от УФ области. И все же, выбирая лампу в магазине, обратите внимание на ее цветовую температуру. Этот параметр всегда есть на коробке.
Что касается выводов, сделанных испанскими учеными, то они относятся к излучению всевозможных экранов на светодиодах, таких как дисплеи всяческих гаджетов, компьютеров, телевизоров и т.д. Ученые доказали, что если долго, без всякой защиты глаз смотреть на такие экраны, то это действительно может привести к постепенным изменениям сетчатки глаза. Поэтому рекомендуется защищать глаза при долгой работе с компьютером специальными очками. Делать частые перерывы. На осветительные приборы мы долго и пристально не смотрим, поэтому вреда от них нет.
2. Мерцание света. Частота мерцания лампы зависит от принципа работы и конструкции. Мерцание света может отрицательно сказываться на здоровье, поэтому здесь тоже есть санитарные нормы. Пульсации светового потока (амплитуда колебания яркости) в жилой комнате или в рабочем офисном помещении не должны быть более 20%. Пульсации света очень характерны для старых люминесцентных ламп. Для хороших светодиодов они минимальны - менее 1%. Хотя есть более дешевые экземпляры ламп с пульсациями более 60%. Этот параметр обычно не указывают в описании на коробке с лампой. Можно посоветовать просто покупать не самые дешевые современные лампы. В них питание идет через специальные драйверы, а не через конденсаторы. В Интернете есть советы, как самостоятельно оценить пульсации света. Предлагается смотреть на лампу через камеру мобильного телефона.
3. Еще одна проблема, связанная со спектром диодной лампы, которая иногда упоминается в Интернете - вред яркого белого цвета на здоровье человека. Имеется в виду уже не влияние на зрение, а влияние на нервную систему, подавление выработки гормона сна - мелатонина. Рекомендуется вечером за пару часов до сна снижать яркость ламп, использовать более теплый свет. В отличие от люминесцентных ламп, некоторые светодиодные лампы, подобно лампам накаливания, поддерживают функцию регулирования яркости с помощью регуляторов мощности «диммеров», это должно указываться производителем на упаковке.
4. Проблема с насекомыми. Они любят яркий свет, причем лампы накаливания их притягивают меньше, чем диодные, в том числе из-за их сильного нагрева. Диодные лампы, которые ярче ламп накаливания и при этом не греются, порой собирают вокруг себя тучи летающих насекомых. Эта проблема особенно актуальна при освещении больших южных городов, где происходит порой «нашествие» разнообразных комаров, мух, цикад.
Светодиодная лампа - одно из самых нужных и важных изобретений нашего времени. Оно не только улучшает качество света в наших домах, а также помогает решить проблему экономии энергии - одну из самых актуальных проблем на Земле.
В идеале для оценки качества спектра излучения лампы необходим спектрофотометр. В крайнем случае можно использовать спектрофотометры для профилирования/калибровки мониторов (например, ColorMunki) - если такое устройство у вас есть. Покупать же спектрофотометры домой для оценки ламп нет никакого смысла, они стоят от сотен до десятков тысяч долларов.
Тем не менее, для нужд геологов и ювелиров выпускают простейшие спектроскопы на основе диффракционной решетки. Их стоимость от 1200 до 2500 руб. И это забавная и полезная штука.
Выглядит спектроскоп так:
В окуляр (слева, где конус) нужно смотреть, при этом объектив (справа) должен быть направлен на источник излучения.
Диффракционная решетка разлагает свет на спектр (как радуга или оптическая призма).
Прежде чем вникать в спектры реальных ламп, напомню общую информацию. (Достаточно подробно это рассмотрено в книге в главе «Качество света»).
Здесь я покажу два спектра СДЛ с исключительно высоким индексом цветопередачи 97 (источник ):
Холодный свет:
Можно видеть, что цветовая температура 5401 К, индекс 97. Главное же - можно видеть из каких видимых глазами цветов состоит спектр.
Теплый свет:
Температура 3046 К, индекс также 97.
Спектрофотометр - в отличие от спектроскопа - показывает не просто, какие цвета образуют спектр, но и дает их интенсивность. Хорошо видно, что в спектрах обеих ламп есть все цвета, составляющие белый («каждый охотник желает знать где сидит фазан», т.е. красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Различие в цветовой температуре достигается за счет относительного вклада холодных (синий-голубой) и теплых (желтый-красный) компонентов.
Вынужден упомянуть о том, что данный спектроскоп предназначен для мобильного использования с помощью глаз. Фиксировать картинку крайне неудобно, поскольку окуляр маленький и устройств для фиксации на камере нет. Поэтому одной рукой нужно удерживать камеру, другой спектроскоп, а голосом управлять съемкой. При этом еще нужно удерживать направление на источник света, небольшие отклонения от нормали приводят к искажению цветов спектра. Из почти десятка разноообразных камер, что есть у меня дома, лучшим оказался планшет «Самсунг». Камера там всего 5 мп, но хороший софт, а размер и положение объектива на корпусе устройства позволяют более-менее удобно пристроить спектроскоп. Баланс белого был зафиксирован как «дневной», ИСО 400. Снимки не обрабатывались, лишь выравнивались и обрезались. Цифры справа обозначают индекс цветопередачи источника (100 - дневной свет в облачную погоду, 99 - лампа накаливания). Качество фотографий меня не очень устраивает - но лучше я сделать не смог.
Итак, начнем сверху вниз и на конкретных примерах попытаемся понять, на что нужно обращать внимание в таких спектрах.
Дневной свет и лампа накаливания: идеальный спектр, в котором представлены все вышеперечисленные цвета.
СДЛ с индексами цветопередачи 87 (обзор ) и 84 (обсуждалась по выбору производителя) также демонстрируют практически полный спектр. Проблемой обычно становится красная часть - если желтого и оранжевого, как правило, достаточно, то глубокие красные оттенки чаще всего отсутствуют. Не видно их и здесь. Также можно предположить (например, по количеству голубого в спектрах), что производители используют разные светодиоды 5736SMD. Т.е. мы имеем дело не с одной и той же лампой, приобретенной у разных продавцов - а с различными производителями.
СДЛ с индексом 78 (ее разбор приведен в главе «Пример оценочного тестирования» в книге) наряду с урезанной красной частью демонстрирует и малое количество голубого. (Может показаться, что в сравнении со спектром лампы с индексом 84 это не так. Но тут нужно вспомнить, что 84 - это теплая лампа, Т=2900. А 78 - холодная, Т=5750 К, там синего по определению намного больше). Именно в этом главные недостатки простых бюджетных СДЛ, которые формируют якобы белый свет за счет синего или пурпурного излучения светодиода и желто-оранжевого света люминофора. Справа от синего лежит голубой - но из описанной комбинации он «не получается». Поэтому в спектре СДЛ там обычно провал. За счет этого (плюс дефицит глубокого красного) и падает индекс цветопередачи.
Самый нижний спектр - это высококачественная компактная люминесцентная лампа (КЛЛ, Т=2700 К, ресурс 12000 часов, заявленный индекс цветопередачи не менее 80). И вот здесь хорошо видно, за счет чего достигается эта формально достаточно высокая величина. Сам производитель называет это «система Tricolor». Т.е. он использует люминофор из 3 компонентов, каждый из которых излучает свет в виде узкой полосы. (Конечно, и такую лампу сделать совсем непросто, т.к. требуется тщательный подбор комбинации люминофоров.) Именно наличие таких вертикальных полос (например, фиолетовая, зеленая, желтая) - признак низкокачественных источников света. Вторым следствием линейчатого спектра источника является физическое отсутствие некоторых цветов в принципе (на рисунке, например, практически нет желтого и очень мало голубого). Очевидно, что свет таких ламп для глаз малополезен несмотря на формально достаточно высокие показатели. Использовать такие лампы нужно в светильниках с качественными рассеивателями (хотя, конечно, спектра лампы это не изменит).
Вывод: в спектрах источников света с высоким индексом цветопередачи должны присутствовать все цвета спектра и отсутствовать интенсивные узкие полосы.
Отдельно хочу предостеречь от поспешности в анализе спектров. По роду деятельности я много общался со спектроскопистами и заметил железную закономерность: чем более квалифицированный и профессиональный специалист - тем более он осторожен и уклончив в своих выводах. От лучшего из них, профессора, заведующего лабораторией спектроскопии вообще в принципе было невозможно добиться внятного заключения (что меня вначале по молодости дико раздражало). Глаз, безусловно, лучший оптический прибор из существующих. Но анализ и интерпретация спектров - бесконечно сложная тема. Там действует огромное количество разных факторов. Поэтому настоятельно рекомендую только простейшую качественную оценку спектров глазами, без попыток хитрых умопостроений и далеко идущих выводов. Лучше всего попеременно смотреть на спектр оцениваемой лампы и на идеальный спектр дневного света или ЛН. Т.е. наглядное сравнение между собой.