Технология

Люминесцентные лампы

Первые эксперименты с люминесцентными лампами проводились в конца XIX века. С разрядными лампами экспериментировал Тесла и Эдисон. В 1901 году Питер Купер Хьюитт (Peter Cooper Hewitt) получил патент на ртутные лампы низкого давления.

С момента появления первых люминесцентных ламп (ЛЛ) в 30-х годах прошлого века в области люминофоров произошли большие изменения. Большое влияние оказала разработка цветного телевизора и изучение свойств элементов группы лантаноидов, которые ранее были практически неизвестны.

Существует около 10 основных типов порошковых люминофоров, смешав которые в определенном соотношении, можно приблизить спектр люминесцентного источника к желаемому спектру. Это позволяет достичь Ra до 90.

Используя специальные люминофоры, состав которых либо запатентован, либо хранится производителями в строжайшей тайне, можно достичь даже Ra равное 98.

Люминофоры - это порошкообразные смеси комплексных солей, например, сурьмы, бария, церия, олова, европия, гадолиния, германия, алюминия, магния, стронция, тербия, кальция, иттрия и хлора, фтора или фосфора.

Использование толстого слоя люминофора уменьшает просвечивание видимой части света ртутного разряда, что в дальнейшем способствует улучшению цветопередачи, хотя и за счет более низкой эффективности.

Важным изобретением также было расположение электродов, позволяющее направить тепловое движение ртути в противоположном направлении от атомов, уносимых электрическим током. Благодаря этому ЛЛ могут работать на постоянном токе, например, от электронных балластов.

Поскольку тонкие трубки более эффективны, сокращают расход материала и позволяют создавать малые или более экономные светильники, современная тенденция - делать трубки все тоньше. С 30-х по 80-ые годы обычный диаметр трубок был 38 мм (T12), затем началось производство T8 диаметром 25 мм, а сейчас все больше выпускается T5 с диаметром трубки 16 мм.

Лампы накаливания

С 1802 года, когда Хэмфри Дэви впервые зажег платиновую проволоку электрическим током, лампы накаливания прошли большой технологический прогресс. Сегодня мы являемся свидетелями их заката.

Классические лампочки обладают ограниченными возможностями в плане приближения к естественному солнечному свету. Их индекс цветопередачи хотя и является идеальным (Ra = 100), однако существует проблема с цветовой температурой Tc, составляющей у ламп накаливания около 2900 К, что соответствует теплому желтому свету.

Данное ограничение обусловлено температурой плавления вольфрама 3695 К, из которого производятся нити ламп накаливания (ЛН).

Нить обычных ЛН имеет температуру около 2800 K, галогенных 2900 - 3000 К. Повышение температуры нагрева нити значительно сокращает срок службы лампы. Например, срок службы проекционных ламп с температурой нити 3300 K составляет всего несколько десятков часов.

Революционным подходом в данной области является применение фильтра, который позволит сократить избыток желтого цвета. В качестве фильтра хорошо себя зарекомендовал оксид неодима Nd2O3. Это вещество добавляют в стекло колбы, благодаря чему она приобретает характерный сине-фиолетовый оттенок. Свойства иона NdIII+ используются в фильтрах для улучшения контрастности астрономической оптики, особенно при конструировании инфракрасных лазеров.

Фильтр поглощает часть световой энергии на длине волны вблизи желтого цвета, который мы в свете ЛН видим больше всего. В результате нам кажется, что свет «менее желтый», т.е. есть он белее. Такой свет сочетается с люминесцентными источниками NASLI лучше, чем свет обычных лампочек.

Стекло с примесью Nd2O3 фосфоресцирует в ближней инфракрасной области (1300 нм). То есть поглощенная энергия превращается в тепло. Фильтр поглощает 20-25% светового потока.

Желтый цвет в спектре является переходом между красным и зеленым. Неодимовый фильтр, тем самым увеличивает цветовой контраст между красным и зеленым.

Учитывая, что это «цветной» источник света, Ra составляет всего лишь около 75-80 (при определении классическим методом), что не совсем верно. Для целей определения «качества цвета» светодиодов ведется работа над определением новой величины, которая бы отражала качество цветопередачи данного источника лучше, чем существующий метод определения Ra.

СИД - светоизлучающие диоды

История этих источников света начинается в 1907 году, когда Генри Джозеф Раунд (H. J. Round), ассистент Гульельмо Маркони (G. Marconi) обнаружил электролюминесценцию в кристаллах карбида кремния. В 1927 году это явление подробно описал О. В. Лосев. Теоретическое обоснование сделал в 1951 году Курт Леговец (Kurt Lehovec).

К концу 50-х лет в лабораторных условиях удалось создать несколько полупроводников излучающих в инфракрасном диапазоне. В 1962 году Ник Холоньяк (N. Holonyak) создал первый диод, излучающий видимый красный свет. Вскоре был открыт способ производства желтых светодиодов, эффективность этих элементов постоянно увеличивалась. В начале 70-х лет светодиоды уже были настолько дешевыми, что их можно было использовать в качестве индикаторов даже в новых карманных калькуляторах. Затем последовал зеленый светодиод, а вот синий удалось создать лишь 1989 году, и вскоре после этого появились первые белые светодиоды. Открытия девяностых лет резко повысили эффективность светодиодов, например, благодаря многослойным, многоступенчатым и резонансным структурам. Потребляемая мощность светодиодов увеличилась с милливатт до ватт единиц, а их удельная мощность уже превосходит даже люминесцентные лампы.

Светодиоды применяются в качестве индикаторов в большинстве электроники, в качестве подсветки экранов мобильных телефонов, в карманных фонариках, в качестве источника света в некоторых телевизорах и проекторах. В последние годы светодиоды также проникают в область освещения, причем как уличного и наружного освещения зданий, так и освещения помещений и транспорта.

Светодиоды - это полупроводниковый источник света, состоящий из слоев материалов на основе кремния и других элементов, в которых при пропускании через них электрического тока происходят квантовые переходы, сопровождаемые испусканием фотона. Спектр излучаемых фотонов распространяется колоколообразно в сравнительно узком диапазоне вокруг доминирующей длины волны, т.е. это источник света определенного цвета.

Белый свет можно с помощью светодиодов получить путем сочетания нескольких цветов. Наиболее распространенным является синий светодиод с желтым люминофором. Часть синего света проходит, а часть превращается в люминофоре в желтый, причем в результате получается восприятие света белого. Таким образом можно получить светодиод, излучающий свет от теплого белого до дневного белого при индексе цветопередачи около 75-80.С помощью специальных люминофоров можно достичь Ra около 90, но за счет снижения удельной мощности. Другой вариант заключается в использовании (ультра)фиолетового светодиода в качестве источника, вызывающего излучение, и люминофоров для его превращения в белый свет. Предполагается, что благодаря данному методу, может быть достигнуто Ra до 97 при высокой удельной мощности. Следующим вариантом является «смешивание» нескольких цветных светодиодов (СИД) для получения белого цвета. С помощью наиболее распространенного СИД RGB (R = красный, G = зеленый, B = синий) можно достичь Ra лишь около 70. С более новыми компонентами, с четырьмя цветами RGBA (А = янтарь, желто-оранжевый), можно приблизить Ra 90. Также используются RGBAW (W = белый, WW = теплый белый), где Ra может достигать 97. Каждый цвет можно регулировать по отдельности, что приносит с собой широкий спектр применения. На рынке в последнее время появились LED/Light/Engin с RGBW светодиодной матрицей, радиатором и электроникой, которые представляют собой комплексное решение для создания приятного света с изменяемыми параметрами. Это позволяет, например, имитировать сумерки, изменять цветовую температуру, создавать освещение для настроения, декоративное или биодинамическое освещение.

Преимущества по сравнению с другими светодиодными источниками света - высокая эффективность и потенциал для ее дальнейшего повышения. Если у ЛЛ и разрядных ламп достигнута граница удельной мощности около 100 лм/Вт, то светодиоды на сегодняшний день достигают более 150 лм/Вт, и предполагается, что будет достигнуто более 220 лм/Вт. Еще одним преимуществом является то, что прогнозируемый срок службы СВД будет в 3-5 раза дольше срока службы ЛЛ. Скорость зажигания СИД очень высока, что является большим преимуществом по сравнению с лампочками накаливания, например, у тормозных огней автомобиля. Данное свойство также применяется в широтно-импульсной модуляции (PWM), с помощью которой можно в полном объеме и с незначительными потерями линейно регулировать средний световой поток.

Основным недостатком СИД является высокая стоимость, которую пока не компенсирует даже сочетание более высокой эффективности и более длительного срока службы. Приняв решение использовать светодиоды, как правило, приходится приобретать новые светильники. Однако, существуют СИД, которые могут стать заменой люминесцентным и разрядным лампам. Такие СИД, как правило, представляют собой компромиссное решение. Парадоксально, но недостатком также является пока еще нереализованный потенциал удельной мощности в сочетании с длительным сроком службы. Инвесторы в данной ситуации зачастую выбирают более дешевые традиционные решения и выжидают. Длительный срок службы светодиодов часто переоценивается, предполагаемых 30-100 тысяч часов работы зачастую невозможно достичь без больших затрат на эффективное охлаждение. Курьезной проблемой может также стать надежность: светодиодные светофоры, в отличие от светофоров с лампами накаливания, в зимний период замерзают.

Светодиоды часто критикуют за невысокий индекс цветопередачи Ra. Тем не менее, исследования показывают, что люди оценивают определенные виды светодиодного света лучше, чем это может показаться при простом сравнении значений Ra. Вполне вероятно, что с расширением светодиодной техники в области освещения появится новая метрика качества цветов, которая будет отражать субъективные ощущения от определенного вида света лучше, чем индекс Ra, который не очень подходит для светодиодов.