Спектр светодиодных ламп

Пост о светодиодах №2 или о спектрах и видности.

Рис. 1. Кривая видности для дневного (красная) и ночного зрения (взято из Wikipedia)
Все это касается дневного зрения. У ночного зрения и кривая видности другая (изображена синим цветом), и величина максимальной чувствительности значительно больше. Но осветительные приборы как раз и созданы, чтобы не использовать ночное зрение, не так ли? Поэтому дальше мы будем рассматривать только дневное зрение.
Если мы возьмем абсолютно-черное тело и нагреем его до температуры 6500K, мы получим белый свет, аналогичный свету нашего Солнца, разве что без фраунгоферовых линий поглощения. Как определить величину фотометрического эквивалента этого света? Иначе говоря, как определить, сколько люмен нам даст лампочка, к примеру, в сто ватт с таким абсолютно-черным телом (идеально теплоизолированным) вместо спирали? Для этого надо перемножить две кривые – спектр излучения и кривую видности, а затем полученную функцию проинтегрировать. И для спектра нашей гипотетической лампочки получается величина фотометрического эквивалента 95 лм/Вт (рис.2). Это значительно меньше, чем у монохроматического зеленого света. Дело в том, что значительная часть излучаемой энергии вообще невидима – находится в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Очевидно, что если мы вовсе уберем эту часть излучения, то для глаза ничего не изменится. А фотометрический эквивалент увеличится. Если мы примем за границы видимого спектра 400 и 700 нм, то получим эффективность 250 лм/Вт. Если мы и дальше будем сужать спектр, то световая эффективность будет расти, но свет перестанет быть белым и начнет приобретать все более явственный зеленый оттенок.

Рис. 2. Зависимость фотометрического эквивалента излучения абсолютно-черного тела от его температуры (взято из Wikipedia).

Здесь надо напомнить, что глаз – плохой спектрометр. Несмотря на то, что он способен различать миллионы оттенков, его легко обмануть. Так, источники света, имеющие с точки зрения глаза абсолютно одинаковый цвет, могут иметь совершенно разные спектры. Это явление называется метамерией. И в данном случае зеленый оттенок легко убрать, «провалив» спектр в зеленой его части. В результате мы получаем… характерный для светодиодов спектр (рис.3).

В пределе мы можем смешать две монохроматические спектральные линии, соответствующие дополнительным цветам, например, 574 и 482 нм в пропорции 3:1, и получить белый свет с фотометрическим эквивалентом аж больше 500 лм/Вт. Но этот белый свет будет обладать забавным свойством. Поскольку в его спектре совсем нет ни зеленого, ни красного света, то в этом свете невозможно различить красные и зеленые предметы – все они будут иметь какие-то неопределенные желто-зеленые или серые оттенки. Так что источник такого света можно назвать «дальтонической лампой».

Все это имеет прямое отношение к эффективности источников освещения, в том числе светодиодов, эффективность которых можно определить, зная их КПД и фотометрический эквивалент их излучения, простым перемножением.. Как мы уже увидели, не изменив энергетической эффективности, то есть КПД преобразования электричества в свет, можно увеличить световую эффективность в несколько раз. Разумеется, в ущерб цветопередаче. В реальных источниках света до состояния «дальтонической лампы» обычно не доходят (исключая натриевые лампы низкого давления, в свете которых мир предстает в черно-белом, вернее, черно-желтом облике).

а)
б)

Рис.3. Спектры светодиодов Cree семейства CXA (а) и MK-R (б) с различной коррелированной цветовой температурой (взято из справочных листков Cree).

Вернемся все-таки к эффективности светодиодов, а не абстрактных монохроматических источников, черных тел с ограниченным спектром и «дальтонических ламп».

Интересно было бы сравнить не хватающие звезд с небес по заявленной световой эффективности, но относительно хорошие спектру светодиодные матрицы семейства CXA и светодиоды MK-R, для которых фирма Cree заявляет те самые знаменитые 200 лм/Вт. Несмотря на громкие заявления, реальная разница между этими светодиодами не такая уж большая. В номинальном режиме (700 мА) самый эффективный светодиод из серии MK-R (холодно-белый с индексом цветопередачи 65) выдает до 128 лм/Вт при температуре кристалла 85°С (а при неосуществимой в непрерывном режиме температуре 25°С она достигала бы 150 лм/Вт), а эффективность более подходящей для освещения жилых помещений модификации естественно-белой цветности (4000 К) с индексом цветопередачи не менее 80 – лишь около 100 лм/Вт. Такие же (даже чуть больше – до 105 лм/Вт) цифры дают и матрицы CXA на номинальном токе. По всей видимости, за рекордные цифры боролись только для «холодных» кристаллов, каковых нет среди матриц семейства CXA, ориентированных на освещение жилых помещений. Но и там, по всей видимости, рекорды делались на токах в пару десятков процентов от номинала и в импульсном режиме – во избежание разогрева.

А теперь было бы интересно прикинуть, чего реально можно достигнуть в будущем в светодиодном освещении.

КПД кристалла, излучающего синий свет, и использующегося в светодиодах Cree XT-E и MK-R (тех самых флагманов, что претендуют на преодоление планки 200 лм/Вт) достигает 53% в рекламно- облегченном (25% максимального тока и 25 °С ) и 42-47% в номинальном режиме. Эта цифра достигнута уже довольно давно и особо повышаться не собирается. И этому есть объяснение. Внутренний квантовый выход нитрид-галлиевого светодиода уже достаточно давно вплотную приблизился к 100%. Поэтому потери энергии в нем складываются из омических потерь в полупроводнике и на омических контактах к нему, и потерь света. Поглощением света в объеме полупроводника можно пренебречь – он практически полностью прозрачен. Все излучение, что родилось внутри – рано или поздно выйдет наружу (возможно, несколько раз отразившись от граней) – кроме того, что попадет на контакты. По ряду причин, связанных с физикой полупроводников, они почти совершенно черные изнутри. Для уменьшения потерь света нужно сделать контакты минимальной площади. Но чем меньше площадь контактов, тем больше омические потери. Для их уменьшения они должны иметь как раз максимальную площадь. Оптимальная площадь и конфигурация электродов находится достаточно просто, и никаких многолетних изысканий для этого не требуется. Так что и тут давно найден свой оптимум . Так что примем за максимум эти 53%.

Теперь люминофор. В свете светодиода с ЦТ 4000К доля люминофора в излучении достигает 75%, а теоретический КПД люминофора составляет 77% (неизбежные потери – это разница между энергией кванта возбуждающего света и света люминесценции. Итоговый «люминофорный» КПД – 83%. Для более «теплого» света, да еще с улучшенной цветопередачей, «люминофорный» КПД падает вплоть до 50%. Реальный КПД люминофора еще ниже.

Таким образом, итоговый КПД белого светодиода с ЦТ 4000К не может превышать 44%

Теперь нужно определить фотометрический эквивалент . Взяв за основу кривую с рис. 3а и сняв пару десятков точек на глаз, и перемножив с табличными значениями видностей, мы получаем K m = 362 лм/Вт. КПД 4 4 % соответствует 1 60 лм/Вт. Выше прыгнуть при всем желании не получится. С «синюшным» спектром аналогичный расчет таки дает 210 лм/Вт теоретически достижимых. Так что в принципе, нобелевская премия за вечный двигатель подождет .

Напомню, что эффективность реальных светодиодов с таким спектром составляет 100-105 лм/Вт . Теперь можно определить их КПД – он равен 27,5-29%. Так что в свет превращается меньше трети электроэнергии, остальные 70% идут в тепло. Если предполагать, что соотношение реальной эффективности и теоретически рассчитанной, верно и для случая «холодно-белых» MK-R, то при 210 лм/Вт теоретических получается 131 лм/Вт практических. Реальное значение 128 лм/Вт – очень близко к нашему расчету:).

>Как выбрать цветовую температуру?

Сортировка светодиодов по бинам*.

При изготовлении светодиодов, также как и любых других изделий, их параметры имеют определенные отклонения от номинальных значений, это относится и к цветовой температуре. Допустимые отклонения регламентируются стандартами, например, стандарт цветности C78.377A, разработанный Американским национальным институтом стандартов (ANSI) (таблица 2), определяет 8 номинальных значений цветовой температуры. Светодиоды, цвет которых соответствует указанному номинальному значению Тцв и цветовому диапазону, соответствуют стандарту.

Таблица 2. Стандарт ANSI C78.377A для Тцв

Стандарт ANSI C78.377A для Тцв

Номинальная Тцв, К Диапазон Тцв, К
2700 2725±145
3000 3045±175
3500 3465±245
4000 3985±275
4500 4503±243
5000 5028±283
5700 5665±355
6500 6530±510

Разница в цвете для светодиодов, соответствующих стандарту хорошо заметна, поэтому на практике производители разбивают каждый диапазон на несколько бинов (подклассов).

Одной из основных задач производителей светотехники является такое деление светодиодов на бины, которое сводит к минимуму различие цветов между отдельными осветительными приборами или между партиями такой продукции.

Чтобы понять, как определяется бин, снова обратимся к диаграмме цветового пространства МКО 1931 и увеличим масштаб для кривой излучения черного тела. Изменения цветовой температуры располагаются на кривой излучения абсолютно черного тела, но изменения цвета светодиода располагаются также выше и ниже кривой излучения черного тела. Светодиоды, у которых цветовые координаты лежат выше кривой излучения абсолютно черного тела, имеют зеленоватый оттенок, а те, у которых ниже, — розоватый. На практике это означает, что указание цветовой температуры не обеспечивает одинаковый цвет.

Диапазоны цветовых температур по стандарту ANSI C78.377A.

Например, две представленные ниже диаграммы иллюстрируют два гипотетических бина светодиодов, цветовая температура каждого из которых равна 5300 K, с отклонением +/- 300 K. Бин 1 имеет некоторое отклонение цвета, так как его область лежит выше и ниже кривой излучения абсолютно черного тела. Отклонение в цвете у бина 2 в четыре раза больше, хотя он также соответствует указанной производителем цветовой температуре.

Пример бинов светодиодов.

Каждый производитель предлагает свое разбиение на бины, например, компания OSRAM предлагает несколько бинов светодиодов с одной цветовой температурой. Каждый бин находится в пределах области, соответствующей стандарту ANSI для этой цветности. На диаграмме ниже приведен пример разбиения на бины для светодиодов OSRAM Golden DRAGON с цветовой температурой 2700 K. Хотя все 16 бинов, предлагаемых компанией OSRAM, соответствуют стандарту ANSI C78.377A для номинальной Тцв 2700 K, они отличаются по Тцв и цветовому тону. Поэтому необходимо учитывать бин светодиодов при установке светильников из разных партий одного производителя, либо разных производителей.

Пример разбиения диапазона на бины.

Светодиодная лента также составляется из светодиодов одного бина, каждая лента марки ARlight, представленная в нашем интернет-магазине проходит контроль по показателям оттенка, что отмечается кодом BIN на упаковке.

Маркировка BIN на упаковке ленты ARlight


Светодиодные ленты ARlight цветовой температуры 4000К Дневной белый разных BIN (сверху 39G, снизу 46).

На изображении выше видно, как отличаются по цветовому тону ленты с разными бинами. В реальности разница заметна только если положить две ленты рядом, на фото насыщенность и сочность цветов специально увеличена. Два не находящихся рядом источника света человеческий глаз способен заметить по цветности при разнице температур 400-600К, лучше чувствуется разница в теплых оттенках, меньше в холодных.

Прежде чем устанавливать светодиодные ленты, лампы, линейки и другие светотехнические изделия на основе светодиодов, проверьте их БИН (оттенок, работоспособность). БИНы должны совпадать на всех рядом установленных светодиодных лентах. Необходимо применять данное правило ко всем цветовым температурам белого света, а также и к RGB или RGB-W светодиодным лентам . Две рядом установленные ленты RGB с разными бинами(BIN) будут отличаться оттенком друг от друга!

* Данный раздел содержит материалы, предоставляемые компанией Philips Color Kinetics.

Цветовая температура и восприятие человека.

От выбора правильной цветовой температуры источников зависит, как будет эмоционально влиять на человека окружающее пространство, восприниматься внешний вид объектов и их цвета. Большое значение имеет то, что разные источники света ассоциируются с определенной обстановкой. Например, теплый свет свечи оказывает расслабляющее действие, белое освещение ламп дневного света создает рабочую атмосферу, холодное освещение создает больший контраст, применяется при необходимости работ с высоким цветоразличением.

Существует нормативный документ, в котором содержатся рекомендации по подбору цветовой температуры в помещении различного назначения: СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение». В нем, в частности, для жилых помещений рекомендуется теплый свет, в помещениях, где выполняется зрительная работа — дневной 3000-4000К, в помещениях с высокими требованиями к цветоразличению более холодный свет до 5000-6000К.

Также там упоминается, что при большом количестве в освещаемом пространстве зеленых и синих объектов следует применять источники с цветовой температурой более 4000К, с большим количеством красных и желтых цветов — не более 3500К. Конечно, когда создавался данный нормативный документ применение светодиодных источников света было весьма ограничено, тем не менее, содержащаяся там информация может быть полезна и при их выборе. Например, осветительные диоды холодного света содержат большую долю синей части спектра, т.е. подчеркивают синие цвета, а в светодиодах теплого белого света синяя составляющая подавляется большим количеством желтого люминофора. Кроме этого, нужно учитывать индекс цветопередачи светодиодных источников, т.к. он не всегда на высоте в отличие от галогенных ламп, например, а только у отдельных более дорогих моделей.

В материалах, предоставляемых компанией Philips Color Kinetics приводится следующая таблица (таблица 3) для выбора цветовой температуры в зависимости от желаемой атмосферы и области применения:

Таблица 3. Эффект, атмосфера и область применения в зависимости от цветовой температуры

Эффект, атмосфера и область применения в зависимости от цветовой температуры

Цветовая
температура
Теплый свет
2700 К
Белый свет
3000 К
Нейтральный
3500 К
Холодный свет
4100 К
Дневной свет
5000-6500 К
Эффекты и атмосфера Теплая
Уютная
Открытая
Дружеская
Интимная
Индивидуальная
Дружеская
Располагающая
Безопасная
Ясная
Чистая
Продуктивная
Яркая
Тревожная
Подчеркивающая цвета
Области применения Рестораны
Вестибюли гостиниц
Бутики
Жилы помещения
Библиотеки
Офисные помещения
Магазины
Выставочные залы
Книжные магазины
Офисные помещения
Офисные помещения
Классные комнаты
Супермаркеты
Больницы
Галереи
Музеи
Ювелирные магазины
Помещения для медицинских осмотров

Восприятие человеком цветовой температуры в зависимости от освещенности.

Исследования зависимости между освещенностью и цветовой температурой проводились Круитхофом (Kruithof). Эмпирическим путем им был составлен график — кривая комфорта Круитхофа — на котором определены области высоких и низких уровней освещенности для различных цветовых температур, являющиеся наиболее комфортными для наблюдателей. Цветовая температура, находящаяся в диапазоне комфорта, воспринимается как «белый» свет.

Именно по этой причине свет неба воспринимается человеком как комфортный белый свет, хотя источник с такой же цветовой температурой в помещении будет явно отдавать синевой: освещенность неба очень высока по сравнению с любым искусственным источником.

Кривая комфорта (номограмма) Круитхофа.

Если Вам понадобиться помощь или консультация в выборе светодиодных источников света, Вы можете обратиться к нашим специалистам по телефону горячей линии 8 (800) 700-80-91. Звонок бесплатный по всей территории Российской Федерации.

Или позвоните нам в один клик прямо с сайта (кнопка расположена справа вверху).

Также ждем Ваших писем на электронную почту: post@novolampa.ru или сообщений в online-консультанте на нашем сайте.

Возврат к списку