Как устроен и работает светодиод?

Технологии

Задача состояла в разработке недорогих светодиодов, основанных на полупроводниках с большой шириной запрещённой зоны, поскольку энергия излучаемых фотонов, возникающих при рекомбинации электронов и дырок, зависит именно от этой величины. Полупроводниками с большой шириной запрещённой зоны являются карбид кремния, соединения элементов II и IV группы таблицы Менделеева и нитриды элементов III группы. Однако у светодиодов на основе карбида кремния оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения. У светодиодов на основе оксида цинка было слишком большое сопротивление, из-за этого они перегревались. Наиболее перспективными материалами были нитрид галлия, нитрид алюминия и нитрид индия, а также их тройные соединения.

История создания

Первый синий светодиод был создан ещё в 1971 в компании RCA. Его разработал Жак Панков^[1], создавший светодиод на основе нитрида галлия.^[2]

Первые промышленные синие светодиоды на основе карбида кремния серийно выпускались в 1980-х годах^[3], в том числе и в СССР. Однако их яркость была весьма невелика, поэтому они не получили существенного распространения.

Революция совершилась в 1990 году, когда японский инженер Сюдзи Накамура, работавший в то время на японскую корпорацию «Nichia Chemical Industries», создал технологию выращивания синих светодиодов с высокой эффективностью. «Nichia Chemical Industries» выплатила Накамуре денежную премию, в то время эквивалентную 2000 (две тысячи) долларов США. Изобретатель же посчитал, что его изобретение оценили недостаточно. Он обратился в суд и отсудил у «Nichia Chemical Industries» сумму в японских йенах, эквивалентную 7 млн долларов США.

К 1993 году компании «Nichia» удалось начать промышленный выпуск синих светодиодов нового типа. К 2002 году доля производства синих светодиодов у компании возросла до 60 процентов от общего объёма производства.

На этом же принципе удалось создать ультрафиолетовые светодиоды.

В 2014 году за создание синих светодиодов японцам Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре (гражданин США) присуждена Нобелевская премияпо физике^[4].

Советские ученые внесли в развитие данной области существенный вклад. На рубеже 90-х годов наша промышленность выпускала более 100 млн светодиодов в год; мировая - десятки миллиардов. Диоды нашли применение в передаче и визуализации информации: в световых индикаторах, табло, в приборных панелях автомобилей и самолетов, в рекламных экранах. Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (в люменах) к потребляемой электрической мощности (в ваттах). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов из материалов типа A^IIIB^V стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона.

Светоотдача приборов на основе гетероструктур с активными слоями InGaN и AlInGaP на длинах волн, отвечающих максимуму излучения. Стрелки справа показывают светоотдачу вакуумных и газонаполненных ламп; кривая - спектральную чувствительность глаза (кривая видности).

Очень привлекательна идея использовать светодиоды для обычного освещения, поскольку сочетание их с люминофорами позволяет получить белый свет. Потребление электроэнергии у них меньше, чем у обычных ламп, кроме того, они долговечнее, надежнее и безопаснее и ламп накаливания, и люминесцентных. Американская программа исследований, разработок и промышленного выпуска светоизлучающих приборов и устройств с их использованием, рассчитанная до 2010 г., предполагает в результате получить экономию такого количества электроэнергии, которое производят 100 атомных электростанций.

Цветовой график Международной комиссии по освещению. В центре - область белого цвета, пересекаемая дугой, соответствующей цвету черного тела при разных температурах. Кружками отмечены цветовые координаты разных светодиодов.

В ходе разработок светодиодов за последние десятилетия перечисленные выше сложные условия выполнялись последовательно для разных длин волн, и вот с какими результатами. Красные диоды на основе твердых растворов арсенидов галлия-алюминия Al_xGa_1-xAs достигли внешнего квантового выхода излучения h_e более 15%. Диоды из фосфида галлия GaP, светящиеся желтовато-зеленым цветом, имеют h_e ~ 0.1%, но близость спектра излучения к максимуму чувствительности глаза (l= 555 нм) обеспечила им в 70-90-х годах широкое применение. КПД промышленных образцов красных, оранжево-желтых и желто-зеленых светодиодов на основе гетероструктур из твердых растворов In_yAl_xGa_1–x–yP были доведены к концу 90-х годов до h_e = 25-55% [5].

Светодиоды в отличие от лазеров - источники спонтанного излучения, их спектральные “линии” имеют заметную ширину: на уровне половины максимальной интенсивности она составляет 20-50 нм, что соответствует средней тепловой энергии электронов.

А вот эффективные светодиоды для зеленовато-голубой, голубой, синей и фиолетовой частей спектра были созданы только в 90-е годы. Сделать их можно на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны: карбида кремния SiC, соединений группы A^IIB^VI, нитридов группы A^IIIB^V. У излучателей на основе ZnSe (A^IIB^VI) большой квантовый выход, но они недолговечны и имеют большое электрическое сопротивление. У карбид-кремниевых излучателей очень мал КПД, так как SiC - непрямозонный полупроводник.

В последние годы был сделан настоящий прорыв в разработках голубых и зеленых светодиодов. В приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов GaN, In_xGa_1–xN, Al_xGa_1–xN внешний квантовый выход увеличен до h_e = 9-16 %. Светоотдача диодных излучателей из разных материалов для всех основных цветов превысила светоотдачу ламп накаливания. Диоды стали приборами и оптоэлектроники, и светотехники.

Замечательный нитрид

Нитрид галлия GaN, представитель группыA^IIIB^V, в отличие от кубических кристаллов GaAs, InP, AlAs кристаллизуется в гексагональной решетке типа вюрцита (постоянные решетки a = 3.18 А, с = 5.18 А) и имеет ширину запрещенной зоны E _g = 3.5 эВ. Выращивание монокристаллов этого полупроводника непростая задача, так как температура плавления GaN ~2000°С, а равновесное давление паров азота должно быть 40 атм.

GaN - прямозонный полупроводник; нелегированные кристаллы GaN имеют большую концентрацию доноров, обусловливающих проводимость n -типа и концентрацию электронов n = 10¹⁸-10¹⁹ см^–3.

Кристаллы аналогичных соединений - нитридов алюминия и индия AlN и InN - также гексагональные с сильно различающимися постоянными решеток (a = 3.11, 3.54А и с = 4.98, 5.70А); это - прямозонные полупроводники с E _g = 6.5 и 1.8 эВ соответственно. Бинарные соединения допускают образование тройных твердых растворов Ga_1–xInxN, Ga_1–xAlxN. В ряду Ga_1–xInxN можно так подобрать параметр х, что энергия E _g будет отвечать фиолетовой, голубой или зеленой области спектра.

Еще в 70-х годах группа Ж. Панкова из лаборатории компании IBM создала фиолетовые и голубые диоды на основе эпитаксиальных пленок GaN. Квантовый выход был достаточен для практики (доли %), но срок их службы был ограничен. В р- области p-n перехода концентрация дырок была мала, и сопротивление диодов оказалось слишком большим, они довольно быстро перегревались и выходили из строя.

В начале 80-х годов Г.В.Сапарин и М.В.Чукичев в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова обнаружили, что после действия электронного пучка образец GaN, легированный Zn, локально становится ярким люминофором. Были предложены устройства оптической памяти с пространственным разрешением 1-10 мкм. Но причину яркого свечения - активацию акцепторов Zn под влиянием пучка электронов - тогда понять не удалось.

Эту причину раскрыли И.Акасаки и Х.Амано из Нагойского университета. Дело оказалось в том, что примесные атомы Zn при росте кристалла реагировали с неизбежно присутствующими атомами водорода, образовывали нейтральный комплекс Zn-H⁺ и переставали работать акцепторами. Обработка электронным пучком разрушала связи Zn-H⁺ и возвращала атомам Zn акцепторную роль. Поняв это, японские ученые сделали принципиальный шаг в создании p-n переходов из GaN. Для аналогичного акцептора - Mg - было показано, что обработкой сканирующим электронным пучком можно р- слой GaN с примесью Mg сделать ярко люминесцирующим, имеющим большую концентрацию дырок, которая необходима для эффективной инжекции дырок в p-n переход. Авторы заявили патент на эффективное легирование GaN р- типа.

В 1989 г. Ш.Накамура (компания “Ничия Кемикал”) начал исследования пленок нитридов элементов III группы, выращенных методом газовой эпитаксии из металлорганических соединений. Он пошел дальше Акасаки – заменил обработку электронным пучком нагревом в атмосфере N₂. Водород взаимодействовал с азотом, образуя NH₃, и не препятствовал атомам Mg работать акцепторами. Подобранными режимами легирования и термообработки были получены эффективно инжектирующие слои р- типа с большой концентрацией дырок в GaN-гетероструктурах [8, 9]. В технологии были учтены особенности легирования примесями Mg и Zn. Были выращены при сравнительно низких температурах структуры GaN/Ga_1–yAlyN, GaN/Ga_1–xInxN, Ga_1–xInxN/Ga_1–yAlyN с толщиной активных слоев до 10-2 нм и шероховатостью гетерограниц порядка одного атомного слоя. Сначала были созданы светодиоды из двойных етероструктур Ga_1–xInxN/Ga_1–yAlyN с активным слоем Ga_1–xInxN:Zn. Максимумы голубого и зеленого света с яркостями 1 и 2 кд приходились на 460 и 520 нм, а внешний квантовый выход составил 3 и 2%.

Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые). Видно, что они перекрывают всю область видимого спектра.

Светят квантовые ямы

На следующем этапе разработок перешли к многослойным гетероструктурам GaN/ /Ga_1–xInxN с нелегированным активным слоем Ga_1–xInxN толщиной до 2-3 нм. Физические принципы, ранее использованные при создании приборов на основе GaAs/Ga_1–xAlxAs и GaAs/In_xAl_yGa_1–x-yP, послужили применительно к новым структурам.

В сверхтонких слоях сказываются эффекты размерного квантования - зависимости энергетического спектра электронов и дырок от толщины слоя, когда последняя сравнима с длиной волны де Бройля. Таким образом, открылась возможность регулировать цвет свечения, изменяя не состав полупроводника, а толщину потенциальной ямы, называемой в этих условиях квантовой.

Было очень важно также разработать технологию выращивания новых структур, обеспечивая на границах минимальное число дефектов. Помогло то, что в сверхтонких слоях несоответствие параметров решетки в определенных случаях вызывает на гетерограницах лишь упругую деформацию растяжения или сжатия. А чисто упругая деформация не сопровождается образованием дислокаций и дефектов - центров безызлучательной рекомбинации.

Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный “пирог”. На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n- GaN:Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям In_xGa_1–xN (3-4 нм) и барьеров GaN (4-5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям In_xGa_1–xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2-0.4; она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слой p- Al_0.1Ga_0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n- GaN создается после стравливания части структуры.

Схема светодиода на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

Свет в доме и на улице

В 1999 г. компании “Ничия Кемикал”, “Тойода Госей”, “Хьюлетт-Паккард”, “Крии” выпускали по нескольку десятков миллионов голубых и зеленых светодиодов в месяц. В июле 1999 г. Накамура сообщил, что светоотдача этих приборов достигает 60 лм/Вт, а мощность желтых на основе InGaN - 6 мВт [8]. Если голубой диод покрыть желтым люминофором, в котором свет возбуждается голубым излучением, то сложение цветов дает белое свечение, как это видно из цветовой диаграммы. Белые светодиоды выпускают “Ничия” и “Осрам”; пока их светоотдача меньше, чем ламп накаливания, но в проектах разработок на ближайшие годы стоит цель вывести белые полупроводниковые источники света вперед.

Примеры массового применения светодиодов можно найти уже повсюду. На перекрестках Москвы к 850-летнему юбилею города было установлено 1000 светодиодных светофоров; для зеленого света применены элементы на основе нитридов. Сделаны первые светодиодные железнодорожные светофоры с узкой направленностью излучения. На одном из небоскребов Нью-Йорка, на Таймс-Сквер, установлен полноцветный светодиодный экран площадью несколько квадратных метров, смонтированный из 16 млн элементов; в Москве первый экран (меньших размеров) начал работать на Манежной площади. Проектируются телевизоры с экранами более 70 см по диагонали, в которых каждая из 100 тыс. светящихся точек, формирующих изображение, сделана из светодиодов трех цветов - синего, зеленого и красного.

Компания “Осрам-Оптосемикондакторс”, специально организованная двумя промышленными гигантами “Осрам” и “Сименс” для производства светодиодов, продемонстрировала служебное помещение с плафоном на потолке из 14 тыс. голубых, зеленых, желтых, красных и белых светодиодов. Режим работы устанавливается процессором, поэтому простым выбором тока легко задать освещение того или иного типа от теплого, близкого к свету ламп накаливания, до холодного, как у люминесцентных ламп. Излучение светодиодов в плафоне сфокусировано так, что свет идет вниз, не рассеиваясь к стенам. Светодиоды найдут применение и в декоративном освещении архитектурных деталей, как это уже осуществлено в Дуйсбурге (Германия), при освещении моста полупроводниковыми светильниками, смонтированными в столбах ограды.

Производство светодиодов на основе нитридов за последние пять лет опередило все самые оптимистичные прогнозы на 20-30%. Прибыли производящих компаний в 1999 г. составили 420 млн амер. долл. и планируются на отметке 4.5 млрд в 2009 г.

 

Светодиоды, или светоизлучающие диоды, являются электрическими источниками света. Первый красный светодиод был создан в 1962 г. Ником Холоньяком (Nick Holonyak) в компании General Electric. Монохромные красные светодиоды в 60-е гг. прошлого столетия применялись для производства небольших световых индикаторов, используемых в электронных приборах. Хотя они испускали тусклый свет и имели низкую энергоэффективность, технология оказалась перспективной и стала быстро развиваться. В начале 70-х гг. появились зеленые и желтые светодиоды. Они использовались в наручных часах, калькуляторах, электронных приборах, в светофорах и указателях «Выход». Эффективность светодио- дов по световому потоку постоянно увеличивалась, и к 1990 г. световой поток красных, желтых и зеленых светодиодов достиг значения 1 люмен (лм).

В 1993 г. Суджи Накамура (Shuji Nakamura), инженер, работающий в компании Nichia, создал первый синий светодиод высокой яркости. Так как красный, синий и зеленый являются тремя главными составляющими света, теперь с помощью светодиодов можно было получить любой цвет освещения, включая белый. Белые люминофорные светодиоды – это светодиоды, объединяющие синий или ультрафиолетовый светодиод с люминофорным покрытием, впервые появились в 1996 г. В конце 90-х гг. светодиоды постепенно заменяют лампы накаливания там, где требуется окрашенный свет.

В 2000–2005 гг. уровень светового потока светодиодов достиг значения 100 лм и выше. Появились белые светодиоды с теплыми и холодными оттенками, подобными образуемым лампами накаливания, люминесцентными лампами и схожие с естественным освещением. Постепенно светодиоды составили конкуренцию традиционным источникам света и стали применяться в театральном и сценическом освещении.

В настоящее время светодиоды широко используются в различных системах общего освещения. По мнению Департамента энергетики (Department of Energy) и Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности (Optoelectronics Industry Development Association), к 2025 г. светодиоды станут самым распространенным источником света в жилых домах и офисах.

 

Как работает светодиод

Как и любой диод, светодиод включает в себя один полупроводниковый p-n-переход (электронно-дырочный переход). С помощью процесса, носящего название легирование, материал n-типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал р-типа – положительными носителями заряда. Атомы в материале n-типа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале р-типа приобретают дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны.

При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки в материалах p- и n-типа устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны инжектируются в материал р-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал р-типа. Это называется прямым смещением.

 

Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал р-типа и рекомбинируют с дырками, происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов) электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый свет.

Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам испускаемого света.

 

 

Пучок видимого света, испускаемого светодиодом, является холодным, но так как в светодиодах имеются потери, то на p-n-переходе генерируется тепло, иногда достаточно большое. Ограничение температуры p-n-перехода с помощью правильно сконструированного теплоотвода и других методов контроля температуры является критичным для обеспечения нормальной работы светодиода, оптимизации егосветового потока и повышения срока службы.

 

«Анатомия» светодиодов

Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды, например, 5-миллиметровые, обычно являются недорогими, маломощными источниками света, пригодными для использования только в качестве световых индикаторов в индикаторных панелях и электронных приборах, для подсветки дисплеев компьютеров или приборных панелей автомобиля. Осветительные светодиоды, представленные светодиодами поверхностного монтажа (SMD), высокой яркости (HB) и высокой мощности (HP) – это надежные мощные устройства, способные обеспечить нужный уровень освещенности и обладающие световым потоком, равным или превосходящим световой поток традиционных источников света, например, КЛЛ.

 

 

Все осветительные светодиоды имеют одинаковую базовую конструкцию. Они включают в себя полупроводниковый чип (или кристалл), подложку, на которую он устанавливается, контакты для электрического подключения, соединительные проводники для подсоединения контактов к кристаллу, теплоотвод, линзу и корпус. (В некоторых светодиодах, например, в светодиодах TFFC, разработанных компанией Philips Lumileds, соединительные проводники не требуются.)

Так как индикаторные светодиоды являются маломощными, все генерируемое в них тепло рассеивается внутри самих светодиодов. Осветительные светодиоды, напротив, снабжаются корпусом для прямого припаивания к поверхности, что обеспечивает отвод тепла, генерируемого светодиодом. Хороший теплоотвод жизненно важен для обеспечения температурного режима и нормальной работы светодиода.

 

Миллионы цветовых оттенков

Производители светодиодов обычно предлагают светодиоды различных цветов – синий, голубой, зеленый, янтарный, красно-оранжевый, красный и т. д. Самостоятельно светодиод может излучать свет только одного цвета, который определяется используемым в нем полупроводниковым материалом. Настоящее волшебство начинается тогда, когда в одном приборе объединяются светодиоды разного цвета.

Именно объединение светодиодов разного цвета в одном световом приборе, таком как светильник или многокристальный светодиод, и управление интенсивностью излучения светодиодов разного цвета и обеспечивает получение миллионов оттенков. Подобно телевизионному экрану или компьютерному монитору, полноцветный светодиодный прибор реализует цветовую модель RGB (R – красный, G – зеленый, B – синий). Цветовая модель RGB – это модель аддитивного смешения цветов, которая применяется для света, непосредственно излучаемого его источниками. (Модель субтрактивного смешения цветов применяется к отражающим поверхностям, таким как поверхности, покрытые красками или чернилами.)

На диаграмме показано цветовое пространство МКО 1931, разработанное в 1931 г. Международной комиссией по освещению (МКО) для определения всего диапазона, или гаммы цветов, видимых стандартным наблюдателем. Ни одно из устройств – телевизионный экран, монитор компьютера, светодиодный световой прибор и другие трехцветные устройства – не может воспроизвести все цвета, различимые глазом человека. Гамма цветов, которую можно получить с помощью светодиодного светового прибора или многокристального светодиода, зависит от цветов отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, используемых в них.

 

На диаграмме точки трех цветов отдельных светодиодов, используемых в трехцветном световом приборе, соответствуют вершинам треугольника. Теоретически прибор может воспроизвести любой цвет, соответствующей точкам внутри этого треугольника. На практике трехцветный светодиодный световой прибор обычно управляется цифровым контроллером и может воспроизвести определенное количество возможных цветов внутри треугольника. С помощью 8-битного трехцветного светодиодного прибора можно получить приблизительно 16,7 млн цветов (2563 цветов) – однако это количество уже превышает число цветов, которые человек способен различить в пределах данного цветового треугольника. (Цвета, лежащие вне границ цветового треугольника, могут быть различимы глазом человека, но световой прибор не сможет их воспроизвести.)

Способность полноцветных светодиодных световых приборов излучать свет любого цвета без использования светофильтров и других внешних устройств в корне отличает светодиоды от других источников света. Совместное использование полноцветных светодиодных источников света с контроллерами освещения позволяет создавать как простые цветовые эффекты, так и полноцветные световые шоу и даже крупномасштабные видео дисплеи.

 

От простого к сложному

Установка светодиодов так же проста, как для обычной светотехники. Например, разработанный компанией Philips Color Kinetics светильник eW’Profile Powercore, предназначен для установки под навесными шкафами и подключается непосредственно в электрическую розетку. Встроенные концевые разъемы и монтажные кабели облегчают установку.

 

Если крупномасштабные светодиодные осветительные системы отличаются сложностью и являются комплексными, то установка светодиодов белого или цветного света, используемых для повседневного или акцентного освещения, не сложнее, чем установка светильников с люминесцентными лампами и лампами накаливания.

Простейшие осветительные системы – потолочные светильники с белыми светодиодами или светильники, устанавливаемые под навесными шкафами, просто подключаются к стандартным электрическим розеткам или подсоединяются напрямую к электросети, как обычная осветительная арматура. Линейные светильники – для установки под навесными шкафами или предназначенные для световых карнизов – обычно снабжены концевыми разъемами, питающим кабелем и кабельными перемычками.

Комплексные системы, состоящие из большого количества светодиодных светильников белого или изменяемого цвета свечения, содержат источники питания и контроллеры, обеспечивающие управление, синхронизацию и коммутацию световых приборов для создания различных световых эффектов и динамических световых шоу с изменением цвета.

Сложные светодиодные системы освещения могут включать в себя большое количество светодиодных световых приборов RGB, цифровой контроллер и один или несколько источников питания силовых цепей/цепей управления. Управление работой показанных на рисунке линейных светильников подсветки стен может осуществляться индивидуально, для создания привлекательных цветовых эффектов и светоцветовых шоу.

 

Что такое люмен?

Световые измерения можно проводить двумя способами: радиометрическим или фотометрическим. Радиометрический способ предполагает измерения для всех длин волн излучения источника света, в диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения. При фотометрическом способе измерения выполняются только для видимого света. Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света на всех длинах волн, называется потоком излучения и измеряется в ваттах. Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света в диапазоне длин волн видимого света, называется световым потоком и измеряется в люменах.

Так как видимость относится только к человеку, фотометрические данные учитывают чувствительность глаза человека, которая зависит от длины волны видимого света (цвета). Зависимость чувствительности глаза человека с нормальным зрением от длины волны представляет собой колоколообразную кривую. Эта кривая известна как спектральная эффективность светового потока и часто называется кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Согласно этой кривой, наивысшая чувствительность глаза достигается в зеленой спектральной области (длина волны 550 нм) и постепенно снижается как к красному, так и к синему краям спектра.

При расчете светового потока происходит взвешивание света для различных длин волн с помощью кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Два источника света, имеющие одинаковые значения лучистого потока, но излучающие различные спектры в пределах кривой чувствительности глаза, будут иметь разные значения светового потока. Представим, например, два источника света с потоком излучения 1 Вт каждый. Один источник излучает синий свет на длине волны 480 нм, а второй – зеленый свет на длине волны 555 нм. Как показывает кривая относительной спектральной чувствительности глаза, синий свет будет выглядеть менее ярким, чем зеленый, несмотря на то что суммарная мощность каждого источника одинакова. Другими словами, зеленый свет дает больше люменов, чем синий, хотя оба источника света излучают одинаковое количество энергии.

Функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях.

 

На практике кажущаяся интенсивность источника света зависит от индивидуального восприятия каждым человеком.

В 1924 г. Международная комиссия по освещению (МКО), признанный авторитет в области света, освещения, цвета и цветового пространства, стандартизировала чувствительность человеческого глаза к видимому свету, введя такое понятие как «стандартный наблюдатель». Стандартный наблюдатель обладает нормальной чувствительностью глаза к видимому свету при определенных условиях, установленных стандартом. Кривая относительной спектральной чувствительности глаза, которая используется в измерениях светового потока и других фотометрических измерениях, является кривой чувствительности глаза именно стандартного, а не произвольного наблюдателя. Измерения светового потока и другие фотометрические измерения являются, таким образом, аппроксимациями и идеализациями, которые могут успешно применяться для оценки и сравнений различных источников света.

Световой поток рассчитывается с использованием кривой относительной спектральной световой эффективности. Следовательно, два источника света, имеющие одинаковую мощность, но излучающие свет с разными длинами волн, будут иметь разные значения светового потока в люменах.

 

Пример общего освещения: потолочные светильники

Клиент обратился к вам за помощью в выборе светильников для освещения коридоров в новом офисе и хочет, чтобы вы изучили возможность установки светодиодных потолочных светильников как альтернативу КЛЛ с точки зрения экономичности в потреблении электроэнергии и обслуживании, однако сомневается, что «яркость» светодиодных светильников будет достаточной.

 

Вы понимаете, что «яркость» является субъективной оценкой, а клиент фактически говорит о световом потоке, выраженном в люменах. При сравнении светового потока некоторых типичных светодиодных потолочных светильников и аналогичных светильников с лампами накаливания или люминесцентными лампами оказывается, что светодиодные светильники уступают традиционным. Вам известно, что следует скорректировать световой поток с учетом КПД светильника и других потерь, и главным параметром для применения светильника является не его «яркость», а количество «полезного света», доставляемого светильником на рабочую поверхность, расположенную от него на определенном расстоянии.

Согласно информации, указанной в Справочной книге Светотехнического общества Северной Америки (The IESNA Lighting Handbook), для коридоров, вестибюлей и других мест общего пользования в офисах оптимальным является уровень освещенности 5–10 фут-кандел (50–100 лк). Рабочей поверхностью для таких помещений является плоскость, расположенная на расстоянии 30 дюймов (0,75 м) над полом. Любой монтируемый на потолок светильник, способный обеспечить на этой плоскости освещенность 10 фут-кандел (100 лк), подходит для этой области применения.

eW Downlight Powercore – это монтируемый на поверхность излучающий вниз светильник, разработанный компанией Philips Color Kinetics.Согласно заявленным характеристикам, световой поток светильника eW Downlight Powercore равен 405–527 люменов в зависимости от цветовой температуры и ширины пучка света. Сравнимый по характеристикам излучающий вниз светильник с КЛЛ имеет полный световой поток 860 лм, создаваемый двумя 13-ваттными лампами Т4. По информации, опубликованной организацией National Lighting Product Information Program (Национальная Программа Информации о Светотехнической Продукции – NLPIP – независимым исследовательским центром, занимающимся вопросами освещения и предоставляющим специалистам в области освещения объективную информацию, полученную в процессе испытаний), КПД этих светильников с КЛЛ равен 50,1%.17 Это означает, что фактический световой поток, излучаемый светильниками с КЛЛ, примерно соответствует световому потоку светильников eW Downlight Powercore.

Модель архитектурной студии, иллюстрирующая освещение чертежных столов, которые являются целевыми освещаемыми объектами. Для этой области применения требуется уровень освещенности на рабочей поверхности около 50 фут-кандел (500 лк).

 

В NLPIP была создана модель коридора для измерения уровней освещенности, обеспечиваемых с помощью излучающих вниз светильников с КЛЛ и других сравнимых по характеристикам светильников. Результаты испытаний показали, что монтируемые на потолке высотой 9 футов (3 м) светильники с КЛЛ обеспечивают на рабочей поверхности среднюю освещенность, равную 11 фут-кандел (110 лк). Согласно заявленным данным, светильники eW Downlight Powercore могут обеспечивать среднюю освещенность, равную 15 фут-кандел (150 лк) на расстоянии 9 футов, при использовании узкого пучка света. Таким образом, светильники eW Downlight Powercore дают больше света в этой области применения, чем светильники с КЛЛ. Другими преимуществами светодиодных излучающих вниз светильников являются полезный срок службы, в 10-20 раз превышающий срок службы светильников с КЛЛ, и 40%-ное сокращение потребления электроэнергии (15 Вт вместо 26 Вт).

 

Пример отраженного освещения: светильники направленного света

Светодиодные светильники со встроенной оптикой и устройствами фокусировки могут направлять свет на целевые освещаемые объекты более эффективно, чем люминесцентные лампы и лампы накаливания, которые излучают свет во всех направлениях. Значительное количество света, излучаемого люминесцентной лампой или лампой накаливания, теряется в светильнике или загораживается его деталями, обратно поглощается лампой или излучается в ненужном направлении. У некоторых типов световых приборов (таких как потолочные излучающие вниз светильники, встраиваемые светильники отраженного света и светильники для установки под навесными шкафами) от 40 до 50% светового потока, излучаемого лампой, теряется до того, как свет выходит за пределы светильника.

Светодиодные светильники для световых карнизов с встроенными фокусирующими устройствами излучают все 100% своего светового потока (177 люменов) в пределах угла расхождения пучка, равного 110°. Люминесцентный светильник для светового карниза излучает 85% из создаваемых его лампами 700 люменов, что соответствует 182 люменам в телесном угле 110° – т.е. примерно такому же значению, как и у светодиодного прибора.

 

Для светодиодных светильников, излучающих свет в определенном направлении, не требуется отражателей и рассеивателей света, которые могут задерживать свет, и они могут более эффективно доставлять свет на целевую освещаемую область. Например, eW Cove Powercore, линейный светодиодный светильник, разработанный компанией Philips Color Kinetics, излучает свет в пределах телесного угла, равного 110°. При значении светового потока 177 лм на фут эта светотехника излучает гораздо меньше света, чем популярная лампа F32T8, которая излучает 700 люменов на фут. Однако анализ показывает, что eW Cove Powercore обеспечивает сравнимый уровень освещенности целевой освещаемой области.

С учетом всех потерь, около 85% люменов лампы F32T8 выходит из осветительной арматуры, что снижает световой поток до 595 люменов на фут. Однако эти 595 люменов излучаются во всех направлениях, то есть в телесном угле 360°. В любом телесном угле 110° содержится 30% светового потока, или 182 люмена, – почти столько же, сколько и у eW Cove Powercore. Так как светильник eW Cove Powercore включает в себя встроенную линзу и его корпус может поворачиваться в пределах 180°, это упрощает разработчикам и монтажникам осветительной арматуры нацеливание света в ну