VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время всё повсеместно идет переход на более энерогоэффективные источники света. Одним из таких представителей является белый светодиод. В научных мировых журналах о них довольно хорошо описаны светодиоды с ближним расположением люминофора. В данной статье будет рассказано о светодиодных светильниках, с дистанцированным (удаленном) размещением люминофора, появившихся для потребителя относительно недавно. Белый светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, который испускает коротковолновое излучение. Это излучение проходит через люминофор, вызывая в нем флуоресценцию белого света.

Люминофор можно разместить как на самом кристалле, так и удаленно от него (рис.1).

Рис.1. Схематичное представление расположения люминофора внутри источника света.

В белом светодиоде люминофор находится очень близко к чипу — в виде тонкого покрытия или силиконового герметика. Синий свет, излучаемый светодиодным чипом, испускается во всех направлениях. Некоторые лучи света будут взаимодействовать с люминофором на светодиодных чипах, в результате преобразовываясь в желтый свет. На самом деле результатом преобразования является излучение со множеством различных длин волн, преимущественно желтого цвета. Эти желтые лучи испускаются также во всех направлениях, и некоторые из них будут отражаться обратно на светодиодный чип и поглощаться им, результатом чего будет потеря эффективности (рис. 1).

Для сравнения, в системе с «дистанцированным» люминофором он находится далеко от светодиодного чипа. При попадании синего света на люминофор происходит его возбуждение и излучаемый люминофором желтый свет также распространяется во всех направлениях, как и в белых светодиодах. Но, поскольку светодиодный чип находится на большом расстоянии, шансов попасть в него и быть поглощенными у желтых лучей гораздо меньше. При условии, что система с «дистанцированным» люминофором грамотно спроектирована, снабжена эффективным рефлектором, который перенаправляет желтый свет, падающий внутрь, то общая эффективность такой системы будет выше, чем в случае с белым светодиодом (рис. 2).

Спектральное излучение светодиода с удаленным расположением люминофора.

Рис.2. Спектр излучения солнечного света.

Рис.3. Спектр излучения светодиода с ближним расположением люминофора.

На Рис.3 мы видим спектр излучения светодиода с ближним расположением люминофора. Относительно спектра излучения солнечного света светодиоды имеют выраженный пик излучения в сине-голубой полосе 440–460 нм, полностью приходящуюся на спектр действия фотохимического повреждения сетчатки глаза и её пигментного эпителия. Фотохимическое повреждение сетчатки развивается в отдалённые сроки и вызывает постепенные необратимые нарушения зрения липофусцин.

Вопрос об опасности избыточного сине-голубого излучения остро встал в первой половине XX века в результате многочисленных световых ожогов сетчатки глаз морских лётчиков США. В середине 1970-х группой физиологов в экспериментах на обезьянах [2] было показано, что различимые пороги светового повреждения сетчатки в голубой области спектра (440–460 нм) в 50–100 раз ниже, чем для света основного зрительного диапазона 500–700 нм (рис. 2). В дальнейшем этой же научной группой были получены многочисленные экспериментальные данные, которые легли в расчётную основу светогигиенических стандартов. При этом в экспериментах использовались малые длительности световой экспозиции, до 1000 с, не сопоставимые с длительностью повседневного освещения. Реальные дозы повреждения человеческой сетчатки светом сине-голубого диапазона могут оказаться близкими к полученным в экспериментах на крысах-альбиносах [3]: 3-часовое освещение при энергетической освещённости 0,64 Вт/ м 2 в спектральной полосе 400–480 нм спустя 1–2 дня приводит к массовой, хотя и частично обратимой, гибели фоторецепторных клеток сетчатки. Другими словами, было показано, что даже слабый свет фиолетово-сине-голубого диапазона потенциально опасен для зрения человека.

Рис.4. Спектр излучения светильника с удаленным расположением люминофора.

Рассмотрим типичный спектр излучения светодиода с удаленным расположением люминофора (Рис.4). На данной спектрограмме мы видим, наименьшее преобладание коротковолновой части спектра относительно других волн. Это преобладание возможно благодаря дистанцированному расположению люминофора в светильнике. В результате данный светильник имеет следующие преимущества:

• люминофор не нагревается, а это означает больший срок службы и значительно меньшее его деградация

• световое излучение обладает спектральными характеристиками, приближенными к спектру тепловых источников света

• нет необходимости в рассеивателе света, а значит — нет дополнительных потерь светового потока.