Ecología del consumo. Ciencia y tecnología: ¿Qué tipo de iluminación se necesita para obtener una planta completamente desarrollada, grande, aromática y sabrosa con un consumo moderado de energía?
La intensidad de la fotosíntesis con luz roja es máxima, pero solo con luz roja, las plantas mueren o su desarrollo se interrumpe. Por ejemplo, investigadores coreanos han demostrado que cuando se ilumina con rojo puro, la masa de lechuga cultivada es mayor que cuando se ilumina con una combinación de rojo y azul, pero las hojas contienen significativamente menos clorofila, polifenoles y antioxidantes. Y el departamento de biología de la Universidad Estatal de Moscú descubrió que en las hojas de la col china bajo luz roja y azul de banda estrecha (en comparación con la iluminación con una lámpara de sodio), la síntesis de azúcares disminuye, el crecimiento se inhibe y no se produce la floración.
Arroz. 1 Leanna Garfield, Tech Insider - Aerofarms
¿Qué tipo de iluminación se necesita para obtener una planta completamente desarrollada, grande, aromática y sabrosa con un consumo moderado de energía?
¿Cómo evaluar la eficiencia energética de una luminaria?
Las principales métricas para evaluar la eficiencia energética de phytolight:
PPF siempre resulta ser un poco más alto que YPF(curva McCree está normalizado a uno y en la mayor parte del rango es menor que uno), por lo que la primera métrica es beneficiosa para los vendedores de luminarias. La segunda métrica es más rentable para los compradores, ya que estima de manera más adecuada la eficiencia energética.
Efectividad de HPS
Las grandes fincas con vasta experiencia, contando dinero, todavía usan lámparas de sodio. Sí, aceptan de buen grado colgar las lámparas LED que se les proporcionan sobre las camas con experiencia, pero no aceptan pagarlas.
Higo. 2 se puede ver que la eficiencia de una lámpara de sodio depende en gran medida de la potencia y alcanza un máximo a 600 W. Valor optimista típico YPF para una lámpara de sodio de 600-1000 W es de 1,5 ef. μmol / J. Las luminarias de sodio de 70–150 W tienen una eficiencia una vez y media menor.
Arroz. 2. Espectro típico de lámpara de sodio para plantas (izquierda)... Eficiencia en lúmenes por vatio y en micromoles efectivos de lámparas de sodio comerciales para marcas de invernaderos Cavita, E-papillon, Galad y Reflax (a la derecha)
Cualquier luminaria LED con una eficiencia de 1,5 ef. μmol / W y un precio razonable pueden considerarse un reemplazo digno de una lámpara de sodio.
Eficacia dudosa de las fitolamparas rojo-azul
En este artículo, no presentamos los espectros de absorción de la clorofila porque es incorrecto referirse a ellos en la discusión del uso del flujo de luz por una planta viva. Clorofila invitro aislado y refinado, realmente solo absorbe la luz roja y azul. En una célula viva, los pigmentos absorben la luz en todo el rango de 400 a 700 nm y transfieren su energía a la clorofila. La eficiencia energética de la luz en la hoja está determinada por la curva " McCree 1972"(Fig. 3).
Arroz. 3. V(λ) - curva de visibilidad humana; RQE es la eficiencia cuántica relativa de una planta ( McCree 1972); σ r y σ fr- curvas de absorción de la luz roja y roja lejana por el fitocromo; B(λ) - eficiencia fototrópica de la luz azul
Nota: la eficiencia máxima en el rango rojo es una vez y media mayor que la eficiencia mínima en el rango verde. Y si la eficiencia se promedia sobre cualquier banda ancha, la diferencia se vuelve aún menos notable. En la práctica, la redistribución de parte de la energía de la gama roja a la función energética verde de la luz a veces, por el contrario, se intensifica. La luz verde viaja a través del grosor de las hojas hasta los niveles inferiores, el área foliar efectiva de la planta aumenta drásticamente y el rendimiento, por ejemplo, de lechuga aumenta.
En el trabajo se ha investigado la viabilidad energética de plantas de iluminación con lámparas LED de luz blanca comunes.
La forma característica del espectro. led blanco Esta determinado por:
Arroz. 4. Espectros de luz LED blanca con reproducción de un color, pero CCT de temperatura de color diferente (izquierda) y con una temperatura de color y una reproducción cromática diferente Ra(a la derecha)
Las diferencias en el espectro de diodos blancos con una reproducción de color y una temperatura de color son sutiles. Por lo tanto, podemos evaluar los parámetros dependientes del espectro solo por la temperatura del color, la reproducción del color y la eficiencia luminosa, parámetros que están escritos en la etiqueta de una lámpara blanca convencional.
Los resultados del análisis de los espectros de los LED blancos en serie son los siguientes:
1. En el espectro de todos los LED blancos, incluso con una temperatura de color baja y con una reproducción cromática máxima, como las lámparas de sodio, hay muy poco rojo lejano (Fig. 5).
Arroz. 5. El espectro de LED blanco ( DIRIGIÓ 4000K Ra= 90) y luz de sodio ( HPS) en comparación con las funciones espectrales de la susceptibilidad de la planta al azul ( B), rojo ( Arkansas) y luz roja lejana ( A_fr)
En condiciones naturales, una planta a la sombra de un dosel del follaje de otra persona recibe más rojo lejano que una cercana, lo que desencadena el "síndrome de evitación de la sombra" en las plantas amantes de la luz: la planta se extiende hacia arriba. Para los tomates, por ejemplo, en la etapa de crecimiento (¡no las plántulas!), Se necesita un rojo lejano para estirarse, aumentar el crecimiento y el área total ocupada y, por lo tanto, el rendimiento en el futuro.
En consecuencia, bajo LED blancos y bajo luz de sodio, la planta se siente como bajo el sol abierto y no se estira hacia arriba.
2. Se necesita luz azul para la reacción de "seguimiento del sol" (Fig. 6).
Ejemplos de uso de esta fórmula:
A. Estimemos, para los valores básicos de los parámetros de luz blanca, cuál debería ser la iluminación para proporcionar, por ejemplo, 300 ef. Para una reproducción cromática y una temperatura de color dadas. μmol / s / m2:
Se puede ver que el uso de luz blanca cálida de alta reproducción cromática permite el uso de una iluminación ligeramente más baja. Pero si tenemos en cuenta que la eficiencia luminosa de los LED de luz cálida con una alta reproducción del color es ligeramente menor, queda claro que la selección de la temperatura del color y la reproducción del color no puede ser energéticamente significativa para ganar o perder. Solo puede ajustar la proporción de luz azul o roja fitoactiva.
B. Evaluemos la aplicabilidad de una luminaria LED de uso general típica para el cultivo de microvegetales.
Deje que una lámpara con un tamaño de 0,6 × 0,6 m consuma 35 W, tiene una temperatura de color de 4000 PARA, rendimiento de color Real academia de bellas artes= 80 y eficacia luminosa 120 lm / W. Entonces su eficiencia será YPF= (120/100) ⋅ (1,15 + (35⋅80 - 2360) / 4000) ef. μmol / J = 1,5 ef. μmol / J. Eso, cuando se multiplica por los 35 W consumidos, será 52,5 ef. μmol / s.
Si dicha luminaria se baja lo suficiente sobre un lecho de microgreens con un área de 0,6 x 0,6 m = 0,36 m 2 y, por lo tanto, se evita la pérdida de luz hacia los lados, la densidad de iluminación será de 52,5 ef. μmol / s / 0,36 m 2 = 145 ef. μmol / s / m 2. Esto es aproximadamente la mitad de los valores comúnmente recomendados. Por tanto, la potencia de la luminaria también debe duplicarse.
Comparación directa de fitoparámetros de diferentes tipos de luminarias
Comparemos los fitoparámetros de una luminaria LED de techo de oficina convencional fabricada en 2016 con fito-luminarias especializadas (Fig.7).
Arroz. 7. Parámetros comparativos de una lámpara de sodio típica de 600 W para invernaderos, una fito-lámpara LED especializada y una lámpara para iluminación general de habitaciones
Se puede ver que una lámpara de iluminación general convencional con un difusor retirado al iluminar plantas no es inferior en eficiencia energética a una lámpara de sodio especializada. También se puede ver que la fito-lámpara de luz rojo-azul (el fabricante no se nombra deliberadamente) está hecha a un nivel tecnológico más bajo, ya que su eficiencia total (la relación entre la potencia de flujo luminoso en vatios y la potencia consumida de la red) es inferior a la eficiencia de una lámpara de oficina. Pero si la eficiencia de las lámparas roja-azul y blanca fuera la misma, ¡entonces los fitoparámetros también serían aproximadamente los mismos!
También se puede ver en los espectros que la fito-lámpara rojo-azul no es de banda estrecha, su joroba roja es ancha y contiene mucho más rojo lejano que el de un LED blanco y una lámpara de sodio. En los casos en que se requiera el rojo lejano, puede ser aconsejable el uso de una luminaria de este tipo sola o en combinación con otras opciones.
Evaluación de la eficiencia energética del sistema de iluminación en su conjunto:
La respuesta de la planta a la luz: la intensidad del intercambio de gases, el consumo de nutrientes de la solución y los procesos de síntesis están determinados por métodos de laboratorio. Las respuestas caracterizan no solo la fotosíntesis, sino también los procesos de crecimiento, floración, síntesis de sustancias necesarias para el sabor y el aroma.
En la Fig. 14 muestra la respuesta de una planta a un cambio en la longitud de onda de iluminación. La intensidad de la ingesta de sodio y fósforo de la solución nutritiva se midió con menta, fresas y lechuga. Los picos en tales gráficos son signos de estimulación de una reacción química particular. Los gráficos muestran que excluir algunos rangos del espectro completo en aras de la economía es como quitar algunas de las teclas del piano y tocar la melodía en el resto.
Arroz. catorce. El papel estimulante de la luz para el consumo de nitrógeno y fósforo en menta, fresas y lechugas.
El principio del factor limitante se puede extender a componentes espectrales individuales; para un resultado completo, en cualquier caso, se necesita un espectro completo. Eliminar algunos rangos del espectro completo no conduce a un aumento significativo en la eficiencia energética, pero el barril Liebig puede funcionar, y el resultado será negativo.
Los ejemplos demuestran que lo habitual luz blanca La luz única y la "luz azul roja" especializada al iluminar plantas tienen aproximadamente la misma eficiencia energética. Pero el blanco de banda ancha satisface de manera integral las necesidades de la planta, que se expresan no solo en la estimulación de la fotosíntesis.
Eliminar el verde del espectro sólido para que la luz cambie de blanco a violeta es una estrategia de marketing para los compradores que desean una "solución especial" pero no son clientes calificados.
Corrección de luz blanca
Los LED blancos de uso general más comunes tienen una reproducción de color baja Real academia de bellas artes= 80, que se debe principalmente a la escasez de rojo (Fig. 4).
La falta de rojo en el espectro se puede compensar agregando LED rojos a la lámpara. Esta solución es promovida, por ejemplo, por la empresa. CREE... La lógica del barril de Liebig dicta que tal aditivo no hará daño si de hecho es un aditivo, y no una redistribución de energía de otros rangos a favor del rojo.
Interesante y trabajo importante realizado en 2013-2016 en el Instituto de Problemas Biomédicos de la Academia de Ciencias de Rusia: allí estudiaron cómo la adición de LED blancos a la luz afecta el desarrollo de la col china 4000 PARA / Real academia de bellas artes= 70 LED rojos de banda estrecha de luz 660 nm.
Y descubrió lo siguiente:
Por tanto, añadir rojo al blanco es aconsejable en el caso particular de la col china y muy posible en el caso general. Por supuesto, con control bioquímico y selección correcta fertilizantes para un cultivo específico.
Opciones de enriquecimiento del espectro de luz roja
La planta no sabe de dónde vino el cuanto del espectro de luz blanca y de dónde vino el cuanto "rojo". No es necesario hacer un espectro especial en un LED. Y no es necesario hacer brillar luz roja y blanca con una fito-lámpara especial. Es suficiente usar luz blanca de uso general e iluminar adicionalmente la planta con una lámpara de luz roja separada. Y cuando hay una persona al lado de la planta, el sensor de movimiento puede apagar la luz roja para que la planta se vea verde y bonita.
Pero la decisión opuesta también está justificada: habiendo seleccionado la composición del fósforo, expanda el espectro de brillo del LED blanco hacia ondas largas, equilibrándolo para que la luz permanezca blanca. Y obtiene una luz blanca de reproducción cromática extra alta, adecuada tanto para plantas como para humanos.
Es especialmente interesante aumentar la proporción de rojo, aumentando el índice de reproducción cromática general, en el caso de la agricultura urbana, un movimiento social para cultivar plantas necesarias para una persona en una ciudad, a menudo con una combinación de espacio vital y, por lo tanto, el Ambiente ligero de humanos y plantas.
Preguntas abiertas
Es posible identificar el papel de la proporción de luz roja lejana y cercana y la conveniencia de utilizar el "síndrome de evitación de sombras" para diferentes culturas. Es posible discutir en qué secciones del análisis es aconsejable romper la escala de longitud de onda.
Se puede debatir si la planta necesita longitudes de onda inferiores a 400 nm o superiores a 700 nm para la estimulación o la función reguladora. Por ejemplo, hay un informe privado de que la luz ultravioleta afecta significativamente las cualidades de consumo de las plantas. Entre otras cosas, las variedades de lechuga de hoja roja se cultivan sin radiación ultravioleta, y se vuelven verdes, pero antes de venderse, se irradian con luz ultravioleta, se vuelven rojas y van al mostrador. ¿Y la nueva métrica es correcta? PBAR (Radiación vegetal biológicamente activa.) descrito en la norma ANSI / ASABE S640, Cantidades y unidades de radiación electromagnética para plantas (organismos fotosintéticos, prescribe tener en cuenta el rango de 280-800nm.
Conclusión
Las cadenas de tiendas eligen variedades más maduras y luego el comprador vota con un rublo por frutas más brillantes. Y casi nadie elige sabor y aroma. Pero tan pronto como nos hagamos más ricos y comencemos a exigir más, la ciencia proporcionará instantáneamente las variedades y recetas adecuadas para la solución nutritiva.
Y para que la planta sintetice todo lo necesario para el sabor y el aroma, se necesita una iluminación con un espectro que contenga todas las longitudes de onda a las que reaccionará la planta, es decir, en el caso general, un espectro continuo. Quizás la solución básica sería una luz blanca de alta reproducción cromática.
Literatura
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Si tienes alguna duda sobre este tema, pregúntale a los especialistas y lectores de nuestro proyecto.
La aparición masiva de lámparas LED en los estantes de las ferreterías, que se asemeja visualmente a una lámpara incandescente (base E14, E27), llevó a la aparición de preguntas adicionales entre la población sobre la idoneidad de su uso. Los anunciantes afirman un rendimiento energético sin precedentes, un recurso de trabajo de varias décadas y un potente flujo luminoso de fuentes de luz innovadoras. Los centros de investigación, a su vez, plantean teorías y presentan hechos que muestran los peligros de las lámparas LED. ¿Hasta dónde ha llegado la tecnología de iluminación y qué oculta la otra cara de la moneda de iluminación LED?
Varios años de uso de lámparas LED permitieron a los científicos sacar las primeras conclusiones sobre su verdadera eficacia y seguridad. Resultó que fuentes de luz tan brillantes como las lámparas LED también tienen sus "lados oscuros". El negativo fue agregado por los colegas chinos, quienes, una vez más, inundaron el mercado con productos de baja calidad. ¿A qué tipo de iluminación dar preferencia, para no perjudicar la visión en la búsqueda de la eficiencia energética? En busca de una solución de compromiso, tendrá que conocer mejor las lámparas LED.
Para asegurarse de que la lámpara LED sea respetuosa con el medio ambiente, recuerde de qué partes se compone.
Su cuerpo está fabricado en plástico y una base de acero. En muestras poderosas, un radiador de aleación de aluminio se encuentra alrededor de la circunferencia. Fijado debajo del matraz placa de circuito impreso con diodos emisores de luz y componentes de controlador de radio. A diferencia de las lámparas fluorescentes de bajo consumo, una bombilla LED no está sellada ni llena de gas. En stock sustancias nocivas Las bombillas LED entran en la misma categoría que la mayoría de los dispositivos electrónicos sin baterías. El funcionamiento seguro es una ventaja significativa de las fuentes de luz innovadoras.
Al comprar lámparas LED, debe prestar atención a la temperatura de color. Cuanto mayor sea, mayor será la intensidad de la radiación en el espectro azul y azul. La retina es más sensible a la luz azul, que se degrada durante largos períodos de exposición repetida. La luz blanca fría es especialmente dañina para los ojos de los niños, cuya estructura está en desarrollo.
Para reducir la irritación de los órganos de la visión, se recomienda incluir lámparas incandescentes de baja potencia (40-60 W) en lámparas con dos o más enchufes, así como utilizar lámparas LED que emitan luz blanca cálida. El uso de tales lámparas sin un alto coeficiente de pulsación no es dañino y está aprobado por el Ministerio de Salud de la Federación de Rusia. La temperatura de color (Tc) está indicada en el empaque y debe estar dentro del rango de 2700–3200 K. Los fabricantes rusos Optogan y SvetaLed recomiendan comprar dispositivos de iluminación de colores cálidos, ya que su espectro de radiación es más similar a la luz solar.
El daño de las pulsaciones de cualquier fuente de luz artificial ha sido probado desde hace mucho tiempo. El parpadeo con una frecuencia de 8 a 300 Hz afecta negativamente sistema nervioso... Tanto las pulsaciones visibles como las invisibles penetran a través de los órganos de la visión hasta el cerebro y contribuyen al deterioro de la salud. Las bombillas LED no son una excepción. Sin embargo, no todo está mal. Si el voltaje de salida del controlador también se somete a un filtrado de alta calidad, eliminando el componente variable, entonces el valor de ondulación no superará el 1%. 
El coeficiente de pulsación (Kp) de las lámparas, en las que se incorpora una fuente de alimentación pulsada, no supera el 10%, lo que cumple con las normas sanitarias vigentes en el territorio de la Federación de Rusia. El precio de un dispositivo de iluminación con un controlador de alta calidad no puede ser bajo y su fabricante debe ser una marca conocida.
La melatonina es una hormona responsable de la frecuencia del sueño y de la regulación del ritmo circadiano. En un cuerpo sano, su concentración aumenta con la aparición de la oscuridad y provoca somnolencia. Trabajando de noche, una persona está expuesta a varios factores dañinos, incluida la iluminación. Como resultado de estudios repetidos, se ha demostrado el efecto negativo de la luz LED nocturna en la visión humana.
Por lo tanto, se debe evitar la radiación LED brillante al anochecer, especialmente en los dormitorios. Falta de sueño después de ver la televisión (monitor) durante mucho tiempo con luz de fondo LED también debido a una disminución en la producción de melatonina. La exposición sistemática al espectro azul por la noche provoca insomnio. Además de regular el sueño, la melatonina neutraliza los procesos oxidativos, lo que significa que ralentiza el envejecimiento.
Esta afirmación es parcialmente incorrecta. El caso es que la iluminación LED todavía está en desarrollo, lo que significa que adquiere nuevos pros y contras. No existe un estándar individual para ello, pero está incluido en una serie de documentos reglamentarios existentes que prevén el efecto de la iluminación artificial en una persona. Por ejemplo, GOST R IEC 62471-2013 "Seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas".
describe en detalle las condiciones y métodos para medir los parámetros de las lámparas, incluidas las lámparas LED, y proporciona fórmulas para calcular los valores límite de exposición peligrosa. Según IEC 62471-2013, todas las lámparas de onda continua se clasifican en cuatro grupos de riesgo para los ojos. La determinación del grupo de riesgo para un tipo particular de lámpara se lleva a cabo experimentalmente sobre la base de mediciones de radiación UV e IR peligrosa, luz azul peligrosa y efectos térmicos en la retina.
SP 52.13330.2011 establece requisitos reglamentarios para todo tipo de iluminación. En la sección "Iluminación artificial", se presta la debida atención a las lámparas y módulos LED. Sus parámetros de funcionamiento no deben ir más allá de los valores permitidos previstos en este conjunto de reglas. Por ejemplo, la cláusula 7.4 indica el uso de lámparas con una temperatura de color de 2400–6800 K y una radiación UV máxima permitida de 0,03 W / m2 como fuentes de iluminación artificial. Además, se normaliza el valor del coeficiente de ondulación, la iluminación y la salida de luz.
Para comprender esta afirmación, debe analizar dos métodos de producción de luz blanca basados en LED. El primer método consiste en colocar tres cristales en un caso: azul, verde y rojo. La longitud de onda que emiten no va más allá del espectro visible. En consecuencia, tales LED no generan un flujo luminoso en el rango infrarrojo y ultravioleta.
Para obtener luz blanca de la segunda forma, se aplica un fósforo a la superficie de un LED azul, que forma un flujo luminoso con un espectro amarillo predominante. Como resultado de mezclarlos, puede obtener diferentes tonos de blanco. La presencia de radiación ultravioleta en esta tecnología es insignificante y segura para los humanos. La intensidad de la radiación IR al comienzo del rango de longitud de onda larga no excede el 15%, que es inconmensurablemente pequeño con un valor similar para una lámpara incandescente. El razonamiento sobre la aplicación de fósforo a un diodo emisor de luz ultravioleta en lugar de azul no es infundado. Pero, hasta ahora, obtener luz blanca por este método es caro, tiene baja eficiencia y muchos problemas tecnológicos. Por lo tanto, las lámparas LED UV blancas aún no han alcanzado la escala industrial.
El módulo de controlador de alta frecuencia es la fuente más poderosa de radiación electromagnética en una lámpara LED. Los pulsos de alta frecuencia emitidos por el conductor pueden interferir con el funcionamiento y degradar la señal transmitida de los receptores de radio, transmisores WIFI ubicados en las inmediaciones. Pero el daño del flujo electromagnético de una lámpara LED para una persona es varios órdenes de magnitud menor que el daño de un teléfono móvil, horno microondas o enrutador WIFI. Por lo tanto, se puede despreciar la influencia de la radiación electromagnética de las lámparas LED con un impulsor de impulsos.
Ya se ha dado una respuesta parcial a esta afirmación.
Con respecto a las lámparas LED chinas, generalmente se acepta que barato significa mala calidad. Y, lamentablemente, este es el caso. Al analizar los productos en las tiendas, se puede observar que todas las lámparas LED que cuestan menos de 200 rublos cada una tienen un módulo de conversión de voltaje de baja calidad. Dentro de tales lámparas, en lugar de un controlador, se instala una fuente de alimentación sin transformador (PSU) con un condensador polar para neutralizar el componente variable. Debido a la pequeña capacidad, el condensador solo cumple parcialmente la función asignada. Como resultado, el coeficiente de ondulación puede alcanzar hasta el 60%, lo que puede afectar negativamente la visión y la salud humana en general. 
Hay dos formas de minimizar el daño de tales lámparas LED. El primero consiste en reemplazar el electrolito con un análogo con una capacidad de aproximadamente 470 μF (si el espacio libre dentro de la caja lo permite). Dichas lámparas se pueden usar en el pasillo, el baño y otras habitaciones con bajo voltaje visual. El segundo es más caro e implica reemplazar una unidad de fuente de alimentación de baja calidad con un controlador con un convertidor de pulsos. Pero en cualquier caso, es mejor usar lámparas LED decentes para iluminar salas de estar y lugares de trabajo, y es mejor abstenerse de comprar productos baratos de China.
Los expertos que estudian el trabajo de los diodos emisores de luz argumentan que el daño de las lámparas LED es muy exagerado. Pero, hasta que se resuelva el problema de la luz azul, al elegir lámparas LED, debe prestar atención a la temperatura de color (Tc). Si el cuadro indica un valor de 4 mil K o más, entonces es mejor negarse a comprar tales lámparas para un apartamento. Su finalidad es iluminar calles e instalaciones industriales. Se recomiendan fuentes de luz con Тс = 3000–4000 K como iluminación principal en un apartamento, excepto para los dormitorios. En salas de estar y salones, debe elegir lámparas LED con Tc = 2500-3000 K, que simulan la luz cálida de una lámpara incandescente.
Cambiar completamente a la iluminación LED o, por el contrario, abandonarla por completo es una elección individual de cada persona. Las tecnologías permiten modernizar aún más el LED y los desarrolladores predicen un gran futuro para él. Ahora el hombre tiene unas dos escalas. Por un lado está el comercio, que es muy eficaz para imponer bienes imperfectos en grandes cantidades. Por otro lado, las advertencias de los científicos que buscan endurecer las reglas para el uso de LED blancos superbrillantes.
Utilice iluminación LED de buena calidad y recuerde caminar al menos una hora al día bajo la luz del sol. Para los niños cuya visión aún se está formando, este indicador debe aumentarse de 2 a 3 veces. También debe evitar la luz directa de la lámpara LED. Esta declaración se aplica a cualquier fuente de luz.
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Los científicos han descubierto que no toda la radiación del LED en su conjunto tiene un efecto nocivo en los órganos de la visión, sino solo los componentes azul y violeta del espectro, que tienen la longitud de onda más corta y, en consecuencia, la frecuencia más alta y gran energía... Los científicos españoles que realizaron estos estudios publicaron sus reseñas en la revista Seguridad y Medio Ambiente. Los principales resultados de este trabajo de investigación son los siguientes enunciados:
Los resultados del estudio sugieren que mirar una lámpara LED brillante está contraindicado.
Pero esta regla de seguridad se puede atribuir a otras fuentes de luz brillante: lámparas incandescentes y fluorescentes. Por lo tanto, el daño de las lámparas de ahorro de energía para los ojos consiste en un efecto negativo en la retina del ojo. Sin embargo, la mayoría de los principales fabricantes suministran lámparas con difusores, o los buenos candelabros tienen cortinas que dan una luz difusa suave, cuyo beneficio es mucho mayor.
Para evaluar la seguridad de la radiación luminosa en el espectro visible, se adoptó una norma internacional EN 62471 denominada Seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas. De acuerdo con esta norma, se distinguen cuatro grupos de riesgo, en los que se indica el tiempo máximo de exposición a la iluminación de la fuente de luz bajo investigación.
Se realizó un estudio basado en este estándar. Francine Behar-Cohen, profesora del Instituto de Salud e Investigación Médica, dirigió un grupo de científicos que, como resultado de la investigación, llegaron a algunas conclusiones importantes: haciendo sus comentarios sobre los peligros y beneficios de las lámparas LED:
Un equipo de científicos de Israel, Estados Unidos e Italia ha estudiado el efecto de varias fuentes de luz artificial en la producción de una hormona importante: la melatonina, que se produce en humanos y animales superiores en la glándula pineal. Esta hormona es responsable de la frecuencia del sueño, la presión arterial y participa en el trabajo de las células cerebrales.
La melatonina es un poderoso antioxidante que ralentiza el proceso de envejecimiento y activa el sistema inmunológico.
Los científicos tomaron la luz de las lámparas de sodio de alta presión, que tienen una cálida amarillo... Se descubrió que las lámparas halógenas, que tienen una temperatura de color más alta, suprimen tres veces la secreción de melatonina. En el estudio se notó que la inhibición de la secreción ocurre cinco veces más, con la misma potencia de las lámparas de sodio y LED.
Resultó que es la luz brillante del espectro azul la que tiene un efecto tan perjudicial. El físico italiano Fabio Falci afirma que la exposición a cualquier fuente de luz potente por la noche, cuando el cuerpo tiene que prepararse para ir a la cama, está contraindicada, y especialmente las lámparas fluorescentes y LED, en cuyo espectro hay un componente azul y violeta del espectro. .
Se sabe que las lámparas incandescentes que funcionan en nuestras redes de CA de 220 V y 50 Hz parpadean a una frecuencia de 100 Hz. Las lámparas de bajo consumo equipadas con balastos convencionales también parpadean a la misma frecuencia, mientras que las lámparas con balastos electrónicos (balastos electrónicos) pueden parpadear a una frecuencia más baja. La inercia del ojo humano no permite ver la pulsación en el resplandor de las lámparas, pero como han demostrado los estudios, el cerebro humano percibe pulsaciones hasta una frecuencia de 300 Hz. Estas vibraciones de lámparas ahorradoras de energía dañan la psique humana, cambian el trasfondo hormonal, reducen la eficiencia, aumentan la fatiga y cambian los ritmos diarios naturales.
La radiación del LED ocurre cuando una corriente continua fluye a través de él, y el voltaje de la red alterna se convierte en un circuito especial constante: un controlador con el que están equipadas todas las lámparas. Es cierto que la mayoría de los controladores convierten el voltaje de la red de CA no en CC, sino en una serie de pulsos de CC. Entonces, en primer lugar, es más fácil implementar el circuito y, en segundo lugar, permite atenuar las lámparas, es decir, cambiar el brillo cambiando el ciclo de trabajo. Cómo elegir un atenuador, lea aquí. En lámparas de alta calidad de fabricantes conocidos, la tasa de repetición del pulso es de más de 300 Hz, lo que prácticamente reduce a cero la pulsación de la iluminación con tales lámparas.
Un LED produce radiación cuando los huecos y los electrones se recombinan en los semiconductores, emitiendo así un fotón de luz. La frecuencia de la radiación está determinada por la composición química de los semiconductores. La radiación puede ser tanto en el rango invisible (infrarrojo o ultravioleta) como en el visible (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta, blanco).
La radiación LED se produce en un rango muy estrecho, por lo tanto, el espectro de dicha radiación es lineal, lo que afecta negativamente a los parámetros de reproducción cromática.
Otro inconveniente de la iluminación LED es que la radiación generada es coherente, es decir, de la misma frecuencia y con un desfase fijo. La luz no dispersa del LED tiene una cierta "dureza", pero los fabricantes encuentran una salida utilizando difusores en lámparas o pantallas en candelabros. Estas medidas reducen significativamente la "dureza" de su radiación.
Cabe señalar que en la actualidad no existe tal cristal semiconductor que emita luz blanca, aunque sí existen LED blancos. El blanco se puede obtener de dos formas:
La composición espectral, la temperatura de color y el índice de reproducción cromática dependen de la calidad y cantidad de fósforo en los LED blancos. Se utiliza una combinación de fósforos, cuanto mejores y más hay, más rico es el espectro, pero también más cara la lámpara. Y el desarrollo de la iluminación LED se produce en paralelo con el desarrollo del uso de varios fósforos. Naturalmente, en la radiación de los LED blancos hay un componente azul, violeta o ultravioleta del espectro, lo que conlleva algún daño, por lo que se deben observar ciertas precauciones, descritas anteriormente.
Cualquier fuente de luz artificial emite radiación térmica, incluidas las lámparas LED. Pero si en las lámparas incandescentes el brillo de la espiral se produce debido a la alta temperatura de la espiral, entonces en los LED hay una transformación casi directa. corriente eléctrica en energía luminosa. Naturalmente, la corriente provoca el calentamiento del cristal semiconductor, pero la necesidad de enfriarlo se debe más a la necesidad de conservar sus propiedades y extender su vida útil, ya que a temperaturas de 60-80 ° C se produce una degradación acelerada del semiconductor.
Los LED blancos brillantes necesariamente proporcionan radiadores para enfriar, pero la radiación térmica de tales lámparas es muy pequeña en comparación con las lámparas incandescentes.
Cualquier cuerpo calentado, como sabrá por un curso de física, emite rayos infrarrojos, pero en el caso de las lámparas LED, es insignificante en comparación con las lámparas incandescentes. Esta es la razón por la que la iluminación LED ahora está reemplazando la iluminación de estudio y escenario de televisión que anteriormente usaba lámparas halógenas y de halogenuros metálicos.
Los controladores de lámparas LED son circuitos electrónicos que generan pulsos de alta frecuencia, por lo tanto, durante el funcionamiento de estos dispositivos, se crean interferencias electromagnéticas que pueden interrumpir el funcionamiento de algunos dispositivos electrónicos: receptores de FM, televisores y otros dispositivos. Por lo tanto, la distancia mínima de la lámpara a otro dispositivo debe ser de al menos 40 centímetros.
En base a lo anterior, se pueden extraer ciertas conclusiones sobre la idoneidad del uso de lámparas LED.
indeolight.com
Para probar o refutar el daño de las lámparas LED a la salud, determinaremos las fuentes de daño al cuerpo. Dividámoslos condicionalmente en 2 grupos: características del dispositivo y funcionamiento incorrecto.
Características del dispositivo de iluminación que son perjudiciales para el cuerpo:
El segundo grupo es el daño a la salud no por la fuente de luz en sí, sino por su uso inadecuado. Echemos un vistazo a cada factor de iluminación que afecta su salud y determinemos si la luz LED es dañina para sus ojos.
La luz solar debe tomarse como estándar, ya que contiene el espectro más completo de radiación luminosa. De todo lo artificial aparatos de iluminación, la bombilla incandescente está más cerca del sol. Compare las características espectrales de diferentes fuentes.
Los gráficos muestran los diferentes espectros de los dispositivos de iluminación. Una lámpara incandescente tiene un espectro suave que se eleva hacia la región roja. El espectro de las fuentes de luz fluorescente es bastante irregular, además de un índice de reproducción cromática bajo (alrededor de 70).
Trabajar en salas con este tipo de iluminación provoca un aumento de la fatiga y dolores de cabeza, así como una percepción distorsionada del color.
El espectro de lámparas LED es más completo y uniforme. Tiene una mayor intensidad en la región de longitud de onda de 450 nm para el brillo frío y en la región de 600 nm para las lámparas "cálidas", respectivamente. Las fuentes LED proporcionan una reproducción de color normal con un CRI superior a 80. Las bombillas LED tienen una intensidad ultravioleta extremadamente baja.
Si comparamos el espectro de diodos y lámparas fluorescentes populares, queda claro por qué estas últimas se utilizan cada vez menos. El espectro de las lámparas fluorescentes compactas está completamente lejos del estándar y su índice de reproducción cromática deja mucho que desear.
En base a esto, podemos concluir que, según las características del espectro, las lámparas LED son inofensivas para la salud.
El siguiente factor que afecta el bienestar es el coeficiente de pulsación del flujo de luz. Para comprender qué es y de qué depende, debe considerar la forma del voltaje en la red.
La calidad de la luz y su ondulación dependen de la fuente de energía con la que operan. Las fuentes de luz que funcionan con voltaje constante, como las bombillas LED de 12 voltios, no parpadean. Echemos un vistazo al parpadeo y al daño de las bombillas LED a los ojos, sus causas y remedios.
Desde el enchufe, obtenemos una tensión alterna con un valor efectivo de 220V y un valor pico de 310V, que se puede ver en el gráfico superior (a).
Dado que los LED funcionan con corriente continua, no con corriente alterna, debe rectificarlos. La carcasa de la lámpara LED contiene un circuito electrónico con un rectificador de una o dos medias ondas, después de lo cual el voltaje se vuelve unipolar. Es constante en signo pero no en magnitud, es decir pulsando de 0 a 310 voltios, gráfico en el medio (b).
Dichas lámparas pulsan a una frecuencia de 100 hercios o 100 veces por segundo, al mismo tiempo que la ondulación del voltaje. El daño a los ojos de las lámparas LED depende de su calidad, más sobre eso más adelante.
Las lámparas LED utilizan controladores de corriente estabilizada (costosos) o filtros anti-aliasing (baratos). El voltaje se vuelve constante y se estabiliza si se utilizan filtros capacitivos.
Si el fabricante no guardó en el controlador, el valor actual se estabiliza. eso la mejor manera tanto para reducir la ondulación como para la vida útil del LED.
La foto de abajo muestra cómo se ve la ondulación cuando se ve desde la cámara. Es posible que no note la pulsación mientras los órganos visuales intentan adaptar la imagen para la percepción. El cerebro absorbe perfectamente estas pulsaciones, lo que provoca fatiga y otros efectos secundarios.
El efecto de las lámparas LED en la visión humana puede ser negativo si producen un flujo luminoso pulsante. Normas sanitarias limite la profundidad de ondulación para las oficinas en un 20% y para los lugares donde se realiza el trabajo que causa fatiga visual al 15%.
Las lámparas con grandes pulsaciones no deben instalarse en casa, solo son adecuadas para iluminar el pasillo, el almacén, las entradas y los cuartos de servicio. Cualquier estancia en la que no realices ningún trabajo visual y no te quedes mucho tiempo.
El daño de las lámparas LED de gama baja se debe principalmente a la ondulación. No escatime en la iluminación, el LED con un controlador normal cuesta solo 50-100 rublos más que las contrapartes chinas más baratas.
Las lámparas incandescentes no parpadean porque funcionan con corriente alterna y el filamento no tiene tiempo de enfriarse cuando el valor de voltaje cruza la marca cero. Las lámparas de tubo fluorescente parpadean si están conectadas de acuerdo con el antiguo circuito de "estrangulamiento". Se puede distinguir por el característico zumbido del acelerador durante el funcionamiento. La foto de abajo muestra las pulsaciones de una lámpara de trama, como las ve la cámara del teléfono.
Las CFL y LL más modernas no zumban ni parpadean solo porque su circuito utiliza una fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia. Dicha fuente de energía se llama balasto electrónico (balasto o dispositivo electrónico). .
Para determinar si las lámparas LED son dañinas para la visión, considere el tercer factor de daño: la radiación infrarroja. Se debe notar que:
¿Son las bombillas halógenas perjudiciales para la salud? Los fabricantes responsables (Philips, Osram, etc.) utilizan filtros IR en fuentes de luz ricas en espectro infrarrojo (halógenos), por lo que se minimiza su daño a la salud.
Está científicamente comprobado que la radiación en el espectro azul reduce la producción de la hormona del sueño melatonina y daña la retina, provocando cambios irreversibles en la misma.
Además de una caída en los niveles de melatonina, la radiación azul provoca una serie de efectos secundarios: fatiga, aumento de la fatiga ocular, enfermedad ocular. Este color se percibe más brillante, que se usa a menudo en marketing para captar nuestra atención. La mayoría de los indicadores de los altavoces, televisores, monitores y otros equipos están hechos en azul.
Lea más sobre esto y cuán seguras son las lámparas LED para los ojos, escriba en la comunidad.
Los LED blancos son LED azules recubiertos con un fósforo especial que convierte la luz en blanco.
El color azul es el factor más negativo en la influencia de las lámparas LED en la visión. Eche un vistazo a los gráficos, a saber, el espectro de emisión de los LED presentados anteriormente. Incluso en Lámpara led La luz cálida tiene un pico de brillo en el espectro azul, mientras que la luz fría es muy alta.
Entonces, ¿el daño de las lámparas LED a los humanos no es un mito? Ciertamente no de esa manera. El hecho es que los estudios se llevaron a cabo en condiciones en las que las muestras en estudio estaban iluminadas por potentes LED azules y todo su espectro se encontraba en el rango “dañino”.
Aunque hay una fracción de luz azul en los LED fríos, es igual a la luz del sol.
Las personas modernas de cualquier edad pasan mucho tiempo frente a la pantalla de computadoras, teléfonos inteligentes y tabletas. El enfoque continuo a una distancia de 0,3 a 1 metro de la pantalla inflige un daño incomparablemente mayor a la vista.
La nocividad del espectro azul de las lámparas LED, en comparación con el daño de las pantallas de los dispositivos, es insignificante. Para iluminar una habitación, estudio y otros locales con un chorro de luz brillante, con bajo consumo energético, el LED es ideal.
Si está preocupado, se han desarrollado varios lentes y anteojos para trabajar en una computadora para reducir el daño de la radiación azul. Sus filtros reflejan la luz en la gama azul y hacen que los colores sean más cálidos.
Necesito recordar: no son los LED los que son perjudiciales para la salud humana, sino el modo de funcionamiento incorrecto con los dispositivos y la iluminación deficiente.
Para comprender si las lámparas LED son dañinas o no, puede organizar la iluminación correcta de acuerdo con GOST sobre iluminación. Regula la cantidad de luz para trabajos de diversa precisión y tamaño de las piezas con las que opera durante el trabajo.
Las fuentes de luz LED le permiten lograr el brillo deseado en el lugar de trabajo, con facturas de luz mínimas. Ahorrarás la vista, te resultará más fácil trabajar cuando la habitación esté iluminada y no necesites mirar pequeños detalles con poca luz. En este caso, la nocividad de las lámparas LED para los ojos es mínima.
El alto consumo de energía de las antiguas lámparas incandescentes no es rentable tanto a escala nacional (carga pesada en líneas eléctricas) como individualmente (alto consumo y precio alto electricidad).
Hoy en día, las disputas sobre si las lámparas LED son perjudiciales para la visión siguen abiertas y no se puede dar una respuesta inequívoca. Han inundado el mercado de la iluminación hace relativamente poco tiempo, hace menos de 10 años, y muchos se muestran escépticos al respecto.
El efecto de las lámparas LED en la salud humana con el debido cumplimiento de la rutina diaria, el sueño y el trabajo será cero. Si una persona está expuesta al estrés, a un esfuerzo excesivo y no se toma en serio la calidad del sueño, ni una sola fuente de luz preservará su salud.
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Si se decide instalar lámparas para plantas, esto debe hacerse de la manera más correcta posible. Para hacer esto, debe decidir qué plantas no tienen suficiente rayo y cuáles serán superfluas. Si se está diseñando iluminación en un invernadero, entonces es necesario prever zonas con un espectro diferente. A continuación, debe determinar la cantidad de LED por sí mismos. Los profesionales hacen esto con un dispositivo especial: un luxómetro. También puede realizar un cálculo por su cuenta. Pero hay que cavar un poco y diseñar el modelo que desee.
Si el proyecto es para un invernadero, existe una regla universal para todo tipo de fuentes de luz. Cuando aumenta la altura de la suspensión, la iluminación disminuye.
El espectro de emisión de color es de gran importancia. La solución óptima serían los LED rojos y azules para plantas en una proporción de dos a uno. La cantidad de vatios que tendrá el dispositivo realmente no importa.
Pero más a menudo usan un vatio. Si es necesario instalar diodos por su cuenta, es mejor comprar cintas prefabricadas. Puedes fijarlos con pegamento, botones o tornillos. Todo depende de los agujeros proporcionados. Hay muchos fabricantes de tales productos, es mejor elegir un vendedor conocido en lugar de uno sin rostro que no pueda dar una garantía por su producto.
El espectro de la luz solar natural contiene tanto azul como rojo. Permiten que las plantas se desarrollen en masa, crezcan y den frutos. Cuando se irradia solo con un espectro azul con una longitud de onda de 450 nm, el representante de la flora será de tamaño inferior. Una planta así no puede presumir de una gran masa verde. También dará malos frutos. Cuando se absorbe en el rango rojo con una longitud de onda de 620 nm, desarrollará raíces, florecerá bien y dará frutos.
Cuando una planta se ilumina con lámparas LED, llega hasta el final: desde el brote hasta la fruta. Al mismo tiempo, durante este tiempo, durante el funcionamiento del dispositivo luminiscente, solo se producirá la floración. Los LED de la planta no se calientan, por lo que no hay necesidad de ventilación frecuente. Además, no hay posibilidad de sobrecalentamiento térmico de los representantes de la flora.
Tales lámparas son insustituibles para el cultivo de plántulas. La direccionalidad del espectro de radiación contribuye al hecho de que los brotes se fortalecen en poco tiempo. El bajo consumo de energía también es una ventaja. Los LED son superados solo por las lámparas de sodio. Pero son diez veces más económicas que las bombillas incandescentes. Los LED de planta duran hasta 10 años. El período de garantía es de 3 a 5 años. Una vez instaladas tales lámparas, no tiene que preocuparse por reemplazarlas durante mucho tiempo. Estas lámparas no contienen sustancias nocivas. A pesar de esto, su uso en invernaderos es muy preferible. El mercado hoy representa un gran número de varios diseños Lámparas similares: se pueden colgar, montar en la pared o en el techo.
Para aumentar la intensidad de la radiación, los LED se recogen en gran estructura... Esta es una desventaja solo para espacios pequeños. En los grandes invernaderos, esto es insignificante. La desventaja es el alto costo en comparación con los análogos: lámparas fluorescentes. La diferencia puede ser de hasta ocho veces. Pero los diodos se amortizarán después de varios años de servicio. Pueden ahorrar energía de manera significativa. Se observa una disminución de la luminiscencia después de la expiración del período de garantía. Con un área de invernadero grande, se necesitan más puntos de iluminación en comparación con otros tipos de lámparas.
Es necesario que se elimine el calor del dispositivo. Es mejor hacer esto con un radiador, que está hecho de un perfil de aluminio o una hoja de acero. Menos mano de obra requerirá el uso de un perfil acabado en forma de U. No es difícil calcular el área del radiador. Debe ser de al menos 20 cm 2 por vatio. Una vez seleccionados todos los materiales, puede recopilar todo en una cadena. Es mejor alternar los LED para el crecimiento de las plantas por color. Esto le dará una iluminación uniforme.
Un nuevo desarrollo como un fito-LED es capaz de reemplazar a sus homólogos convencionales que brillan en un solo color. El nuevo dispositivo en un chip ha recopilado el espectro necesario de LED para las plantas. Es necesario para todas las etapas de crecimiento. El phytolamp más simple generalmente consiste en un bloque con LED y un ventilador. Este último, a su vez, se puede regular en altura.
Durante mucho tiempo, las lámparas fluorescentes se mantuvieron en la cima de la popularidad en los huertos domésticos y los huertos. Pero tales lámparas vegetales no son adecuadas para el espectro de colores. Cada vez son más reemplazados por fito-LED o lámparas fluorescentes especiales.
Una luz de saturación tan fuerte como la de un aparato de sodio no es adecuada para colocarla en un apartamento. Su uso es aconsejable en grandes invernaderos, jardines e invernaderos, en los que se iluminan las plantas. La desventaja de tales lámparas es su bajo rendimiento. Convierten dos tercios de la energía en calor y solo una pequeña parte se destina a la radiación luminosa. Además, el espectro rojo de dicha lámpara es más intenso que el azul.
La forma más sencilla de hacer una lámpara vegetal es utilizar la tira que alberga los LED. Necesita espectros rojos y azules. Se conectarán a la fuente de alimentación. Este último se puede comprar en el mismo lugar que las cintas, en una ferretería. También necesita un soporte, un panel del tamaño del área de iluminación.
La fabricación debe comenzar con la limpieza del panel. A continuación, puede pegar la cinta de diodos. Para ello, retire la película protectora y péguela al panel con el lado adhesivo. Si tiene que cortar la cinta, sus piezas se pueden conectar con un soldador.
Los LED de la planta no necesitan ventilación adicional. Pero si la habitación en sí está poco ventilada, es aconsejable instalar la cinta en un perfil de metal (por ejemplo, de aluminio). Los modos de iluminación para flores en una habitación pueden ser los siguientes:
Si quieres ver las plantas de interior de forma sana y hermosa forma, es necesario satisfacer cuidadosamente su necesidad de iluminación. Entonces, descubrimos las ventajas y desventajas de las lámparas LED para plantas, así como el espectro de sus rayos.
Recientemente, ha habido un gran revuelo en torno a las lámparas LED, que se supone que reemplazan a las lámparas Ilyich habituales. Y como dijo el jefe de nanotecnología de Rusia, estas lámparas pronto saldrán a la venta en Moscú y San Petersburgo. Por supuesto, todo estaba lleno de patetismo: Vladimir Putin fue el primero en apreciar la novedad. Fui uno de los primeros en conseguir una bombilla de Optogan, y también tenía una bombilla más en mis manos. Producción rusa("SvetaLED" o "SvetaLED"), aunque vencido por la vida, pero funcionando, y NoName chino, que se puede comprar fácilmente en ebay o dealextreme.com.Por supuesto, en primer lugar, es la eficiencia energética y el ahorro energético. Desafortunadamente, la bobina de tungsteno emite más fotones "térmicos" (es decir, luz con una longitud de onda de más de 700-800 nm) que la que da luz en el rango visible (300-700 nm). Es difícil discutir con esto: el cuadro a continuación lo dirá todo por sí mismo. Teniendo en cuenta que el consumo de energía de las lámparas de descarga de gas y LED es varias veces menor que el de las lámparas incandescentes con la misma iluminación, que se mide en lux. De esta forma, conseguimos que sea realmente beneficioso para el consumidor final. Otra cosa son las instalaciones industriales (no confundir con oficinas): la iluminación, si bien es una parte importante, pero aún así, los principales costes energéticos están asociados precisamente al funcionamiento de máquinas-herramienta e instalaciones industriales. Por tanto, todos los gigavatios generados se gastan en laminados de tuberías, hornos eléctricos, etc. Es decir, la economía real dentro de todo el estado no es tan buena.
En segundo lugar, la vida útil de las lámparas que han venido a sustituir a las "bombillas de Ilich" es varias veces mayor. Para una lámpara LED, la vida útil es prácticamente ilimitada si la disipación de calor está organizada correctamente.
En tercer lugar, es innovación / modernización / nanotecnología (subraye lo necesario). Personalmente, no veo nada innovador ni en las lámparas de mercurio ni en las LED. Sí, esta es una producción de alta tecnología, pero la idea en sí es solo una aplicación lógica en la práctica del conocimiento sobre semiconductores, que tiene entre 50 y 60 años, y materiales que se conocen desde hace aproximadamente dos décadas.
Dado que el artículo trata sobre lámparas LED, me detendré en su dispositivo con más detalle. Se sabe desde hace mucho tiempo que la conductividad de un semiconductor iluminado es más alta que la de uno sin iluminación (Wiki). De alguna manera desconocida, la luz hace que los electrones atraviesen el material con menos resistencia. Un fotón, si su energía es mayor que la banda prohibida del semiconductor (E g), es capaz de eliminar un electrón de la denominada banda de valencia y lanzarlo a la banda de conducción.
Disposición de zonas en un semiconductor. E g es la banda prohibida, E F es la energía de Fermi, los números indican la distribución de electrones sobre estados en T> 0 ()
Compliquemos la tarea. Tomemos dos semiconductores con diferentes tipos de conductividad y conectemos entre sí. Si, en el caso de un semiconductor, simplemente observamos un aumento en la corriente que fluye a través del semiconductor, ahora vemos que este diodo (y así es como la unión p-n que surge en la interfaz de los semiconductores con diferentes tipos conductividad) se ha convertido en una mini fuente de corriente continua, y la magnitud de la corriente dependerá de la iluminación. Si apaga la luz, el efecto desaparecerá. Por cierto, el principio de funcionamiento de los paneles solares se basa en esto.
En la unión de semiconductores de tipo pyn, las cargas que aparecen después de la irradiación con luz se separan y cada una "sale" a su propio electrodo ()
Ahora volvamos a los LED. Resulta que puedes hacer lo contrario: conectar un semiconductor tipo p al positivo de la batería, y el tipo n al negativo, y ... Y no pasará nada, no habrá radiación en la parte visible del espectro, ya que los materiales semiconductores más comunes (por ejemplo, silicio y germanio) son opacos en la región visible del espectro. La razón es que Si o Ge no son semiconductores de espacio directo. Pero existe una gran clase de materiales que tienen propiedades semiconductoras y son transparentes al mismo tiempo. Representantes brillantes: GaAs (arseniuro de galio), GaN (nitruro de galio).
En total, para obtener un LED, solo necesitamos hacer una unión p-n a partir de un semiconductor transparente. En esto, quizás, me detendré, porque cuanto más lejos, más complejo e incomprensible se vuelve el comportamiento de los LED.
Permítanme decir algunas palabras sobre las tecnologías modernas para la producción de LED. La llamada capa activa es una capa alterna muy delgada de 10-15 nm de espesor de semiconductores de tipo p y n, que consta de elementos como In, Ga y Al. Dichas capas se cultivan epitaxialmente utilizando el método MOCVD (deposición química en fase de vapor de óxido metálico).
Representación esquemática del dispositivo LED
Hay un problema más que impide realizar una conversión del 100% (conversión de 1 electrón en 1 fotón) de electricidad, y consiste en el hecho de que incluso capas tan delgadas de semiconductores absorben la luz hasta cierto punto. Ni siquiera que absorben fuertemente, solo la luz "deambula" dentro del cristal debido al efecto de la reflexión interna total en la interfaz cristal / aire: la longitud del camino hacia la salida de la luz del cristal aumenta y, en última instancia, tal se puede absorber un fotón errante. Una solución es utilizar sustratos estructurados. Por ejemplo, el método de sustrato de zafiro moldeado se usa ampliamente en la industria de LED en la actualidad. Esta microestructuración conduce a un aumento en la eficiencia de la salida de luz de todo el diodo ().
Para los lectores interesados, puedo sugerir que se familiaricen con la física subyacente al funcionamiento de los LED. Además de este interesante trabajo, realizado dentro de los muros de su Universidad Estatal de Moscú natal, Svetlana y Optogan tienen una maravillosa galaxia de equipos de investigación en el mismo San Petersburgo. Por ejemplo, PhysTech. También puedes leerlo.
El espectrómetro Ocean Optics es una gran herramienta en las manos adecuadas
Todas las bombillas están ensambladas. ¡Podemos empezar!
El espectro de tres lámparas de comparación (a modo de comparación, la parte del espectro que percibe el ojo humano se muestra debajo de la escala)
Pero para las lámparas LED, el espectro es sorprendentemente diferente. Hay dos componentes: en realidad, azul del diodo mismo, y el segundo, untado en todo el espectro, de un fósforo o, en ruso, un tinte fluorescente, que se aplica a los propios LED y se llena con una capa protectora de polímero en cima. La relación entre el color azul del diodo y el ancho de banda de emisión del fósforo determina la temperatura de color de la lámpara. Podemos ver que Optogan tiene la luz más cálida y China la más fría. Es ventajoso utilizar 1 fósforo para regular la temperatura de color, por lo tanto, el grosor de la capa de fósforo, junto con la potencia del LED, determina la temperatura de color. Cabe señalar que las bombillas de China y de "Svetlana" usan, muy probablemente, el mismo fósforo, pero "Optogan" usa el suyo (una diferencia significativa en la banda de emisión máxima del fósforo).
Comparación de los espectros de las lámparas LED y la lámpara Ilyich tradicional (a modo de comparación, la parte del espectro que percibe el ojo humano se muestra debajo de la escala)
Conseguimos una bombilla de luz de Svetlana en un estado roto y filmamos el espectro sin vidrio esmerilado. Sin embargo, permítanme demostrar una situación similar usando el ejemplo de una lámpara de China, ya que había dos de ellas. Los espectros normalizados difieren poco entre sí, y un ligero aumento en la intensidad se puede atribuir al hecho de que la radiación de longitud de onda más larga se dispersa mejor en el vidrio esmerilado.
Comparación de lámparas fabricadas en China con y sin bombilla de vidrio (a modo de comparación, la parte del espectro que percibe el ojo humano se muestra debajo de la escala)
Si alguien está interesado, se presenta un modelo bastante detallado de las características de los LED.
Tres chicas debajo de la ventana se rompieron a última hora de la noche ... De izquierda a derecha: Optogan, SvetaLED y NoName China
Por cierto, Optogan todavía tiene problemas de calidad: la prueba de resistencia no pasa. Se retorció / desenroscó un par de veces y obtuve el siguiente resultado:
Monte endeble. Bombilla de señora, ¡qué más decir!
Quienes golpearon sin piedad las bombillas SvetaLED y NoName de China dicen que el vidrio es bastante frágil y, en términos de calidad (evaluación puramente subjetiva), es inferior a las bombillas incandescentes.
Un pequeño reportaje fotográfico (la cámara de video por alguna razón se negó a funcionar) sobre cómo desmontamos las bombillas:
¡Un experimento glamoroso debe abordarse con glamour! (Aunque todas las coincidencias de colores son ficticias)
El arma más importante es un martillo, ¡¿cómo puede ser sin él ?!
Honestamente, lo intenté, pero el policarbonato nunca cedió. Todo se derrumbó, la mesa, el linóleo, el radiador de aluminio, pero no el policarbonato, que posteriormente fue retirado con un destornillador. Pero la bombilla, incluso en un estado a medio desmontar, siguió ardiendo.
Luego tuve que elegir el controlador durante mucho tiempo, que está inundado con algún tipo de polímero. Como resultado, tanto el conductor como el orgullo de Optogan, el chip LED monolítico, salieron a la superficie.
De arriba a abajo: Optogan, SvetaLED y China
Empecemos desde el fondo. Para ser sincero, me gustó el controlador chino: potentes condensadores, bobinas, un poco de electrónica transformadora (puente de diodos, etc.). Todo se hace de forma muy compacta, por lo que la lámpara en sí tiene un tamaño bastante modesto. Además, una gran ventaja es que todos los cables conductores son largos, es decir, ¡realmente puedes "reparar" la lámpara! O utilice el controlador después de la vida útil de la lámpara para algún otro propósito. Por supuesto, a la mayoría de los usuarios comunes no les importa esto, pero aún así, esto se puede atribuir a posibles ventajas. El mismo sustrato con chips LED está unido a 2 pernos en miniatura (después de todo, el chino ...), por lo que, en el sentido literal, la lámpara puede tratarse como un diseñador.
Controlador de bombilla LED china NoName
Los cables son realmente muy largos ...
La lámpara producida por la empresa Optogan tiene un controlador muy complejo con condensadores de estado sólido y, como me convencieron los expertos, con una fuente de alimentación conmutada (aunque todas las lámparas LED deben tener una fuente de alimentación de este tipo). Al mismo tiempo, el propio driver, junto con el módulo emisor de luz, es un "chip" de la empresa y su principal orgullo. Se rumorea que la compañía hará I + D para minimizar este controlador y posiblemente reducir el tamaño de su bombilla gigante a un tamaño aceptable en un futuro cercano.
El orgullo de Optogan - controlador y módulo emisor de luz - junto a la falla principal - base
"SvetaLED". No puedo llamarlo conductor. Incluso China tiene algunos "bollos" que mejoran las propiedades de consumo de la lámpara (por ejemplo, protegen contra el parpadeo), pero no hay absolutamente nada aquí excepto un puente de diodos, un fusible, un condensador enorme (10 uF, 450 V, mucho ¡¿O un poco?! Vale la pena decir que la energía almacenada en el condensador es suficiente para que la luz brille durante 1,5 minutos después de que se apaga la energía) y, muy probablemente, el interruptor de carga. Todo es tan simple y primitivo que al principio me sorprendió un poco. Una verdadera creación del sombrío genio ruso ...
También el orgullo de ... el sombrío genio ruso.
Es posible que la simplicidad de ejecución sea la carta de triunfo de la bombilla SvetaLED. Parpadeando con una frecuencia de 50 Hertz, lo más probable es que el ojo promedio no vea, y no hay ningún lugar al que puedan venir desde allí, ya que un capacitor poderoso suaviza todo, y aún más, el fósforo no podrá resaltar la energía que se bombea en él tan rápidamente (la fosforescencia en los colorantes moleculares complejos no se cancela). Esto debería conducir al bajo costo de la lámpara ... hmm, pero en algún lugar hay un problema, ya que se planea lanzar la lámpara a un precio cercano al de su contraparte china, ¡teniendo en cuenta una entrega única a Rusia!
nótese bien Es importante recordar que, entre otras cosas, los parámetros importantes y dependientes del dispositivo son: el coeficiente de ondulación, que puede afectar negativamente la actividad mental de una persona, y la radiación electromagnética de fondo, que inevitablemente se produce debido al uso de varios circuitos "rectificadores". . Pero esa es una historia completamente diferente ...
Para ser honesto, simpatizo con el LED chino, es decir, con el chip en sí. La belleza de su interior es simplemente asombrosa. Tuve suerte: mientras arrancaba todas las capas de este LED, accidentalmente dañé un chip de diodo grande, como resultado de lo cual quedó expuesto el sustrato de zafiro microestructurado:
Micrografías ópticas de un chip chino, vista superior: franjas doradas en el chip - contactos portadores de corriente.
Estructura en capas de un chip emisor de luz con el máximo aumento bajo un microscopio óptico. La zona oscura corresponde al sustrato de zafiro. Las flechas marcan capas individuales o grupos de capas.
Por cierto, el chip en sí está aislado del mundo exterior por al menos 3 capas, pero me parece que después de todo hay 4 de ellas. La primera es un polímero con fósforo, que convierte parte de la radiación en el región azul del espectro en amarillo-naranja. La segunda es una pequeña capa de polímero blando, luego una capa convexa (a la lente) de polímero duro y dos capas más de polímeros blandos y duros.
Me gustaría señalar que en comparación con otras lámparas, la china es lo más simple posible. Solo 4 cables conectan el chip grande al mundo exterior (el resto de las lámparas tienen muchos más), solo 1 chip emisor de luz por diodo, que ya está montado directamente en la placa, contactos conductores de corriente debidamente cableados en el chip en sí, permitiendo que la corriente eléctrica fluya uniformemente sobre toda la superficie (que “Optogan” tiene algo similar). No pude encontrar ninguna deficiencia obvia y significativa.
Imágenes SEM de un sustrato de zafiro estructurado
La estructura en capas indica que estamos en el camino correcto (una consecuencia del método de creación de chips - MOCVD), pero difícilmente será posible discernir capas individuales de la región activa ...
El chip y los contactos que lo alimentan
Comencemos con una bombilla de Optogan. Lo más extraño, en mi opinión, es la ubicación del módulo emisor de luz. Centrar. Tanto China como Svetlana tienen varios módulos "en miniatura" de 1 W distribuidos uniformemente sobre el sustrato, por lo que la disipación de calor de los LED de estas empresas es mucho mejor que la del módulo Optogan. Sí, entiendo perfectamente que el módulo LED de Optogan está hecho de cobre, conduce bien el calor y un radiador grande lo disipa eficazmente. Pero la bombilla de "Optogan" tiene enormes dimensiones, que, por cierto, también se deben al hecho de que es necesario arreglar de alguna manera el matraz de policarbonato y no encajará en todos los cartuchos.
Dicho módulo LED tiene una estructura bastante simple: los diodos separados están ubicados en un patrón de tablero de ajedrez debajo de una capa de polímero pintada con un fósforo amarillo-naranja, que están conectados entre sí (se puede encontrar el diagrama de conexión de diodos y otros detalles técnicos).
Imagen SEM de LED individuales en un sustrato después de quitar la capa de polímero
La propia capa de polímero tiene una estructura bastante interesante. Consiste en bolas pequeñas (~ 10 μm de diámetro):
Micrografías ópticas del "lado equivocado" de la capa de polímero
Sucedió por casualidad que un diodo cortado por un micrótomo permaneció en la capa de polímero. Vale la pena señalar que el diodo en sí es realmente transparente y a través de él se pueden ver los contactos en el otro lado del chip:
Micrografías ópticas traseras del LED: excelente transparencia para este tipo de producto
La capa de polímero está tan firmemente adherida tanto al sustrato de cobre como a las virutas individuales que, después de retirarla, todavía queda una fina capa de polímero en la superficie de los diodos. A continuación, en las imágenes obtenidas con un microscopio electrónico, se puede ver en todo su esplendor el "clivaje" de la capa muy activa del diodo, en la que los electrones "renacen" en fotones:
Imágenes SEM de la capa emisora de luz de un LED individual (las flechas indican la ubicación de la capa activa)
Y aquí está la capa de búfer texturizada, eche un vistazo más de cerca a la imagen inferior derecha; aún nos será útil (las flechas indican la capa de búfer)
Después de un manejo descuidado del chip, algunos contactos se dañaron y algunos permanecieron intactos.
Y la última lámpara es SvetaLED. Lo primero que sorprende es el sustrato con módulos LED - ¡atención! - atornillado con un perno fuerte al resto de la lámpara (como lo hicieron en China). Cuando lo estaba desarmando, pensé que podría interferir con "arrancarlo" del resto de la lámpara, y luego vi un perno ... Por cierto, ¡en la parte posterior de este sustrato de aluminio con un marcador! algún número está escrito. Parece que en la planta de Svetlana, cerca de San Petersburgo, trabajan trabajadores migrantes que ensamblan estas lámparas a mano. No, espera un minuto, porque las bombillas las fabrican los militares ... ...
No solo el sustrato con los LED está atornillado a un tornillo, sino que hay un número escrito en el reverso ... MARCADOR - hecho a mano ...
Los módulos en sí están firmemente plantados sobre un sustrato de aluminio: no se pueden arrancar por completo. Aparentemente soldado para mejorar la conductividad térmica. No comentaré mucho aquí, ya que todos los comentarios se dan arriba cuando se habla de la lámpara Optogan.
Micrografías ópticas de un diodo emisor de luz de la empresa Svetlana: la imagen insertada muestra claramente la microestructura del sustrato
En una nota: logró ver cómo los chips individuales están conectados en el módulo de "Svetlana". Constantemente para mi gran decepción. Por lo tanto, si al menos 1 LED “se apaga”, todo el módulo dejará de funcionar.
Imágenes SEM de un diodo emisor de luz de la empresa Svetlana (las flechas indican el área activa). En la figura superior izquierda, se ha agregado una imagen de los contactos previstos, ya que deberían haberse enrutado en el módulo (4 diodos x3).
El mismo sustrato de zafiro microestructurado familiar ...
¿Esta imagen causa un efecto déjà vu? Las flechas indican la capa de amortiguación.
Desafortunadamente, el sitio de la empresa que produce las lámparas SvetaLED fue creado por verdaderos diseñadores: muchas imágenes hermosas y poco sentido, no hay especificaciones meticulosas normales, como, por ejemplo, en el sitio de Optogan (por cierto, existe en dos dominios y COM con aproximadamente el mismo contenido). Además, hay un sitio dedicado a solo 1 bombilla, hay un sitio para la propia empresa, pero por alguna razón las especificaciones generalmente se encuentran en un recurso completamente diferente.
2. Lea atentamente la especificación en el sitio web de Optogan y en el sitio web de Svetlana. El módulo de Svetlana tiene unas dimensiones de 5 por 5 mm, 2 esquinas de la “tapa” están cortadas a 45 grados, etc. - mucho coincide con la especificación de "Optogan". ¡¿No atormenta el efecto continuo del déjà vu ?! ¿O tal vez todo se compra en Taiwán?
Lámparas de producción "nacional", y en particular, "Optogan", como siempre, "por favor" con su precio. Estoy más que seguro de que sería posible comenzar con un diseño "artesanal", materiales baratos (vidrio en lugar de policarbonato) y llenar el nicho de las fuentes de luz económicas (parece que no hay tanta gente rica en Rusia, o yo ¡¿No sabes algo?!). Pero incluso esto no es lo principal, hay bastantes que están listos para invertir 1000 rublos en una bombilla y no pensar en comprarlos durante varios años. Dejando la sorprendente similitud externa entre los módulos, me preocupa más algo más: la similitud entre chips LED individuales (dimensiones geométricas, ubicación, contactos, etc.). Parece que fueron hechos en el equipo de la misma empresa, solo las versiones de este equipo difieren como v.1.0 y v.1.1. Por supuesto, entiendo que lo más importante en un diodo emisor de luz es la estructura interna del núcleo, pero debes estar de acuerdo, es difícil conseguir 1 chip de 160 por 500 micrones de tamaño (el grosor de un cabello humano es 50-80 micrones) y compare los espectros de emisión de los chips Optogan y Svetlana ".
Sin embargo, si la compañía Optogan finaliza la base, elimina materiales costosos (policarbonato), reduce el tamaño, reemplaza 1 chip potente por otros algo más simples y optimiza el controlador (en resumen, comprende, rehacerá completamente la lámpara), entonces tal una bombilla tendrá todas las posibilidades de conquistar el mercado ruso, ya que además de los inconvenientes indicados, también hay muchas ventajas, como la conexión competente de diodos en el módulo, el "controlador" inteligente, etc. Gracias por la documentación técnica.
En cuanto a Svetlana, aparte del controlador más simple, que debería influir en el precio a la baja, la ubicación de los módulos emisores de luz en el sustrato, prácticamente no hay ventajas. La documentación técnica está turbia, los LED están conectados en serie, lo que, si 1 diodo "se quema", desactiva todo el módulo (es decir, en nuestro caso, reduce el flujo luminoso en un 12,5%), pasta térmica manchada por todas partes - todo esto no agrega confianza. Pero, era solo un prototipo, tal vez los diseños industriales sean mejores.
Este artículo no pretende denigrar o, por el contrario, exaltar los productos de unos fabricantes sobre otros. ¡Cito solo los hechos, y solo la conclusión depende de usted! Como dicen, piensa por ti mismo, decide por ti mismo ...
El proceso de llevar los chips LED dentro de la caja de plástico:
Por eso, en Taiwán, los chips LED se "empaquetan" en módulos de plástico con aplicación de tinte y se empaquetan en bobinas:
En breve:
La lámpara incandescente tiene la luz de la más alta calidad (Ra = 96). En segundo lugar está la tecnología tradicional y bien desarrollada: lámparas fluorescentes (Ra = 82 y 85). En el tercero, hay bombillas LED. Entre las bombillas LED, los lugares se distribuyeron de la manera esperada: en primer lugar están las bombillas Optogan germano-rusas (Ra = 80), en el segundo y tercer lugar están las bombillas chinas (Ra = 70) y las bombillas rusas Svetlana (Ra = 68).
PD El Foro de Nanotecnología comenzará el miércoles (26.10)
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Los dispositivos semiconductores emisores de luz se utilizan ampliamente para operar sistemas de iluminación y como indicadores de corriente eléctrica. Se refieren a dispositivos electrónicos que operan bajo un voltaje aplicado.
Dado que su valor es insignificante, tales fuentes pertenecen a dispositivos de bajo voltaje, tienen un mayor grado de seguridad en términos del efecto de la corriente eléctrica en el cuerpo humano. Los riesgos de lesiones aumentan cuando se utilizan fuentes de mayor voltaje para su brillo, por ejemplo, una red doméstica doméstica, que requiere la inclusión de fuentes de alimentación especiales en el circuito.
Una característica distintiva del diseño LED es una mayor resistencia mecánica de la carcasa que la de Ilyich y las lámparas fluorescentes. Cuando se usan correctamente, funcionan durante mucho tiempo y de manera confiable. Su vida útil es 100 veces superior a la de los filamentos, llegando a las cien mil horas.
Sin embargo, este indicador es típico de las estructuras de indicadores. Para fuentes potentes, se utilizan corrientes aumentadas para la iluminación y la vida útil se reduce de 2 a 5 veces.
Un LED indicador común se realiza en una caja epoxi con un diámetro de 5 mm y dos pines para la conexión a los circuitos de corriente eléctrica :. Visualmente, difieren en longitud. Un nuevo dispositivo sin contactos de corte tiene un cátodo más corto.
Una regla simple ayuda a recordar esta posición: ambas palabras comienzan con la letra "K":
Cuando se cortan las patas del LED, el ánodo se puede determinar aplicando un voltaje de 1,5 voltios a los contactos de una simple batería de linterna: la luz aparece cuando las polaridades coinciden.
El monocristal activo emisor de luz del semiconductor tiene la forma de un paralelepípedo rectangular. Se coloca cerca de un reflector parabólico de aleación de aluminio y se monta sobre un sustrato no conductor.
Al final de la carcasa de luz transparente hecha de materiales poliméricos, hay una lente que enfoca los rayos de luz. Junto con el reflector, forma un sistema óptico que forma el ángulo del flujo de radiación. Se caracteriza por el patrón direccional del LED.
Caracteriza la desviación de la luz del eje geométrico de la estructura general hacia los lados, lo que conduce a un aumento de la dispersión. Este fenómeno surge debido a la aparición durante la producción de violaciones menores de la tecnología, así como al envejecimiento de los materiales ópticos durante la operación y algunos otros factores.
Se puede colocar una banda de aluminio o latón en la parte inferior de la caja, que sirve como radiador para eliminar el calor generado durante el paso de una corriente eléctrica.
Este principio de diseño está muy extendido. Sobre esta base, cree otras fuentes de luz semiconductoras utilizando otras formas de elementos estructurales.
Principios de emisión de luz
Unión semiconductora tipo p-n conectado a una fuente de voltaje constante de acuerdo con la polaridad de los terminales.
Dentro de la capa de contacto de las sustancias de tipo p y n, bajo su acción, comienza el movimiento de electrones libres cargados negativamente y huecos, que tienen un signo positivo de carga. Estas partículas se dirigen a los polos que las atraen.
En la capa de transición, las cargas se recombinan. Los electrones pasan de la banda de conducción a la banda de valencia, superando el nivel de Fermi.
Debido a esto, parte de su energía se libera con la liberación de ondas de luz de varios espectros y brillos. La frecuencia de onda y la reproducción del color dependen del tipo de materiales mezclados con los que está hecha.
Para emitir luz dentro de la zona activa de un semiconductor, se deben cumplir dos condiciones:
1) el espacio de la zona prohibida en ancho en la región activa debe estar cerca de la energía de los cuantos emitidos dentro del rango de frecuencia visible para el ojo humano;
2. Debe garantizarse una alta pureza de los materiales del cristal semiconductor y el número de defectos que afectan al proceso de recombinación debe ser lo más bajo posible.
Este complejo problema técnico se resuelve de varias formas. Uno de ellos es la creación de varios capas p-n transiciones cuando se forma una heteroestructura compleja.
Influencia de la temperatura
Con un aumento en el nivel de voltaje de la fuente, la corriente a través de la capa semiconductora aumenta y el brillo aumenta: una mayor cantidad de cargas por unidad de tiempo ingresa a la zona de recombinación. Al mismo tiempo, se calientan los elementos portadores de corriente. Su valor es crítico para el material de las guías de corriente internas y la sustancia de la unión p-n. La temperatura excesiva puede dañarlos y destruirlos.
En el interior de los LED, la energía de la corriente eléctrica pasa a la luz directamente, sin procesos innecesarios: no como en las lámparas con filamentos incandescentes. En este caso, se forman pérdidas mínimas de potencia útil debido al bajo calentamiento de los elementos portadores de corriente.
Debido a esto, se crea una alta eficiencia de estas fuentes. Pero, solo se pueden usar donde la estructura en sí está protegida, bloqueada del calentamiento externo.
Características de los efectos de iluminación.
Cuando los huecos y los electrones se recombinan en diferentes composiciones La unión p-n de sustancias crea una emisión de luz desigual. Por lo general, se caracteriza por el parámetro de eficiencia cuántica: el número de cuantos de luz emitidos para un solo par de cargas recombinadas.
Se forma y ocurre en dos niveles del LED:
1. dentro de la unión de semiconductores en sí - interna;
2. en el diseño de todo el LED en su conjunto - externo.
En el primer nivel, el rendimiento cuántico de monocristales hechos correctamente puede alcanzar un valor cercano al 100%. Pero, para garantizar este indicador, es necesario crear grandes corrientes y una potente eliminación de calor.
Dentro de la propia fuente en el segundo nivel, parte de la luz es dispersada y absorbida por elementos estructurales, lo que reduce la eficiencia de radiación general. El valor máximo de la eficiencia cuántica es mucho menor aquí. Para los LED que emiten un espectro rojo, no alcanza más del 55%, y para los LED azules disminuye aún más, hasta un 35%.
Tipos de transmisión de color de la luz.
Los LED modernos emiten:
Luz blanca.
Espectro amarillo-verde, amarillo y rojo
V base p-n La transición utilizó fosfuros y arseniuros de galio. Esta tecnología se implementó a finales de los años 60 para indicadores de dispositivos electrónicos y paneles de control de equipos de transporte, vallas publicitarias.
En términos de salida de luz, tales dispositivos superaron inmediatamente a las principales fuentes de luz de ese momento: las lámparas incandescentes y las superaron en términos de confiabilidad, recursos y seguridad.
Espectro azul
Los emisores de espectros azul, azul verdoso y especialmente blanco no se prestaron a la implementación práctica durante mucho tiempo debido a las dificultades de solución compleja de dos problemas técnicos:
1. el tamaño limitado de la zona prohibida en la que tiene lugar la recombinación;
2. altos requisitos para el contenido de impurezas.
Para cada paso de aumento del brillo del espectro azul, se requería un aumento en la energía de los cuantos al expandir el ancho de la zona prohibida.
La cuestión se resolvió al incluir carburos de silicio SiC o nitruros en la sustancia semiconductora. Pero, los desarrollos del primer grupo resultaron tener una eficiencia demasiado baja y un pequeño rendimiento de radiación de cuantos para un par de cargas recombinadas.
La inclusión de soluciones sólidas basadas en seleniuro de zinc en la transición de semiconductores ayudó a aumentar el rendimiento cuántico. Pero, dichos LED tenían una mayor resistencia eléctrica en la unión. Debido a esto, se sobrecalentaron y se quemaron rápidamente, y las estructuras de eliminación de calor de fabricación compleja no funcionaron eficazmente para ellos.
Por primera vez, se creó un diodo emisor de luz azul utilizando películas delgadas de nitruro de galio depositadas sobre un sustrato de zafiro.
Espectro blanco
Para obtenerlo se utiliza una de las tres tecnologías desarrolladas:
1. mezcla de colores según el método RGB;
2. aplicación de tres capas de fósforo rojo, verde y azul en el LED UV;
3. Recubrimiento del LED azul con capas de fósforo amarillo-verde y verde-rojo.
En el primer método, se colocan tres cristales individuales a la vez en una única matriz, cada uno de los cuales emite su propio espectro RGB. Debido al diseño del sistema óptico basado en la lente, estos colores se mezclan y la salida es un tinte blanco total.
Tengo método alternativo La mezcla de colores se produce debido a la irradiación ultravioleta sucesiva de las tres capas constituyentes del fósforo.
Características de las tecnologías de espectro blanco.
Técnica RGB
Te permite:
utilizar varias combinaciones de monocristales en el algoritmo de control de iluminación, conectándolos uno a uno manualmente o mediante un programa automatizado;
evocar varios tonos de color variable en el tiempo;
para crear sistemas de iluminación eficaces para publicidad.
Un ejemplo simple de tal implementación es. Los diseñadores también utilizan ampliamente algoritmos similares.
Las desventajas de los diseños de LED RGB son:
color no uniforme del punto de luz en el centro y los bordes;
calentamiento desigual y eliminación de calor de la superficie de la matriz, lo que lleva a diferentes velocidades envejecimiento p-n transiciones, que afectan el equilibrio de colores, cambios en la calidad total del espectro de blancos.
Estas desventajas se deben a la diferente disposición de los monocristales en la superficie de la base. Son difíciles de quitar y personalizar. Debido a esta tecnología, los modelos RGB se encuentran entre los desarrollos más complejos y costosos.
LED con fósforo
Son más simples en diseño, más baratos de fabricar y más económicos en términos de emisión de una unidad de flujo luminoso.
Se caracterizan por desventajas:
en la capa de fósforo se producen pérdidas de energía lumínica que reducen la salida de luz;
la complejidad de la tecnología para aplicar una capa uniforme de fósforo afecta la calidad de la temperatura de color;
el fósforo tiene un recurso más corto que el propio LED y envejece más rápido durante el funcionamiento.
Características de los LED de diferentes diseños.
Los modelos con productos de fósforo y RGB se crean para una variedad de aplicaciones industriales y domésticas.
Métodos de comidas
El LED indicador de la primera producción en masa consume alrededor de 15 mA cuando se alimenta con un poco menos de dos voltios de CC. Los productos modernos tienen características mejoradas: hasta cuatro voltios y 50 mA.
Los LED para iluminación funcionan con el mismo voltaje, pero ya consumen varios cientos de miliamperios. Los fabricantes ahora están desarrollando y diseñando activamente dispositivos de hasta 1 A.
Para aumentar la eficiencia de la salida de luz, se crean módulos LED que pueden usar suministro de voltaje secuencial para cada elemento. En este caso, su valor aumenta a 12 o 24 voltios.
Al aplicar voltaje al LED, se debe tener en cuenta la polaridad. Cuando se rompe, la corriente no pasa y no habrá brillo. Si se usa una señal sinusoidal alterna, entonces el resplandor ocurre solo cuando pasa la media onda positiva. Además, su fuerza también cambia proporcionalmente de acuerdo con la ley de aparición de la magnitud correspondiente de corriente con una dirección polar.
Debe tenerse en cuenta que con un voltaje inverso, es posible una ruptura de la unión del semiconductor. Ocurre cuando se exceden los 5 voltios en un solo cristal.
Métodos de control
Se utiliza uno de los dos métodos de control para ajustar el brillo de la luz emitida:
1. el valor de la tensión conectada;
El primer método es simple pero ineficaz. Cuando el nivel de voltaje cae por debajo de un cierto umbral, es posible que el LED simplemente se apague.
El método PWM excluye tal fenómeno, pero es mucho más complicado en la implementación técnica. La corriente que pasa a través de la unión semiconductora de un monocristal no se suministra en forma constante, sino en una alta frecuencia pulsada con un valor de varios cientos a mil hercios.
Al cambiar el ancho de los pulsos y las pausas entre ellos (el proceso se llama modulación), el brillo del brillo se ajusta en un amplio rango. La formación de estas corrientes a través de monocristales se lleva a cabo mediante unidades de control programables especiales con algoritmos complejos.
Espectro de emisión
La frecuencia de la radiación que emerge del LED se encuentra en un rango muy estrecho. Se llama monocromático. Es radicalmente diferente del espectro de ondas que emanan del Sol o de los filamentos de las lámparas de iluminación convencionales.
Hay mucha discusión sobre el efecto de tal iluminación en el ojo humano. Sin embargo, desconocemos los resultados de análisis científicos serios sobre este tema.
Producción
En la producción de LED solo se utiliza una línea automática, en la que las máquinas robotizadas operan según una tecnología previamente diseñada.
El trabajo manual físico de una persona está completamente excluido del proceso de producción.
Los especialistas capacitados solo ejercen control sobre el curso correcto de la tecnología.
El análisis de la calidad de los productos también forma parte de sus responsabilidades.
Los LED se han convertido en una fuente de luz muy popular en la última década. Llegaron a reemplazar las lámparas fluorescentes compactas (CFL) o, como se les llama popularmente, las lámparas de bajo consumo. Entonces comenzó la era de la iluminación LED para humanos.
Las lámparas de bajo consumo eran un peligro relativo debido al vapor de mercurio contenido en su bombilla. En caso de destrucción, existe el riesgo de que su salud sufra graves daños, hasta la muerte. Analizaremos: ¿las lámparas LED son perjudiciales para los humanos?
Para probar o refutar el daño de las lámparas LED a la salud, determinaremos las fuentes de daño al cuerpo. Dividámoslos condicionalmente en 2 grupos: características del dispositivo y funcionamiento incorrecto.
Características del dispositivo de iluminación que son perjudiciales para el cuerpo:
El segundo grupo es el daño a la salud no por la fuente de luz en sí, sino por su uso inadecuado. Echemos un vistazo a cada factor de iluminación que afecta su salud y determinemos si la luz LED es dañina para sus ojos.
La luz solar debe tomarse como estándar, ya que contiene el espectro más completo de radiación luminosa. De todos los dispositivos de iluminación artificial, una bombilla incandescente es la más cercana al sol. Compare las características espectrales de diferentes fuentes.
Los gráficos muestran los diferentes espectros de los dispositivos de iluminación. Una lámpara incandescente tiene un espectro suave que se eleva hacia la región roja. El espectro de las fuentes de luz fluorescente es bastante irregular, además de un índice de reproducción cromática bajo (alrededor de 70).
Trabajar en salas con este tipo de iluminación provoca un aumento de la fatiga y dolores de cabeza, así como una percepción distorsionada del color.
El espectro de lámparas LED es más completo y uniforme. Tiene una mayor intensidad en la región de longitud de onda de 450 nm para el brillo frío y en la región de 600 nm para las lámparas "cálidas", respectivamente. Las fuentes LED proporcionan una reproducción de color normal con un CRI superior a 80. Las bombillas LED tienen una intensidad ultravioleta extremadamente baja.
Si comparamos el espectro de diodos y lámparas fluorescentes populares, queda claro por qué estas últimas se utilizan cada vez menos. El espectro de las lámparas fluorescentes compactas está completamente lejos del estándar y su índice de reproducción cromática deja mucho que desear.
En base a esto, podemos concluir que, según las características del espectro, las lámparas LED son inofensivas para la salud.
El siguiente factor que afecta el bienestar es el coeficiente de pulsación del flujo de luz. Para comprender qué es y de qué depende, debe considerar la forma del voltaje en la red.
La calidad de la luz y su ondulación dependen de la fuente de energía con la que operan. Las fuentes de luz que funcionan con voltaje constante, como las bombillas LED de 12 voltios, no parpadean. Echemos un vistazo al parpadeo y al daño de las bombillas LED a los ojos, sus causas y remedios.
Desde el enchufe, obtenemos una tensión alterna con un valor efectivo de 220V y un valor pico de 310V, que se puede ver en el gráfico superior (a).
Dado que los LED funcionan con corriente continua, no con corriente alterna, debe rectificarlos. La carcasa de la lámpara LED contiene un circuito electrónico con un rectificador de una o dos medias ondas, después de lo cual el voltaje se vuelve unipolar. Es constante en signo pero no en magnitud, es decir pulsando de 0 a 310 voltios, gráfico en el medio (b).
Dichas lámparas pulsan a una frecuencia de 100 hercios o 100 veces por segundo, al mismo tiempo que la ondulación del voltaje. El daño a los ojos de las lámparas LED depende de su calidad, más sobre eso más adelante.
Las lámparas LED utilizan controladores de corriente estabilizada (costosos) o filtros anti-aliasing (baratos). El voltaje se vuelve constante y se estabiliza si se utilizan filtros capacitivos.
Si el fabricante no guardó en el controlador, el valor actual se estabiliza. Esta es la mejor opción para reducir la ondulación y la vida útil del LED.
La foto de abajo muestra cómo se ve la ondulación cuando se ve desde la cámara. Es posible que no note la pulsación mientras los órganos visuales intentan adaptar la imagen para la percepción. El cerebro absorbe perfectamente estas pulsaciones, lo que provoca fatiga y otros efectos secundarios.
El efecto de las lámparas LED en la visión humana puede ser negativo si producen un flujo luminoso pulsante. Las normas sanitarias limitan la profundidad de la ondulación para los locales de oficinas en un valor del 20%, y para los lugares donde se realizan trabajos que causan fatiga visual al 15%.
Las lámparas con grandes pulsaciones no deben instalarse en casa, solo son adecuadas para iluminar el pasillo, el almacén, las entradas y los cuartos de servicio. Cualquier estancia en la que no realices ningún trabajo visual y no te quedes mucho tiempo.
El daño de las lámparas LED de gama baja se debe principalmente a la ondulación. No escatime en la iluminación, el LED con un controlador normal cuesta solo 50-100 rublos más que las contrapartes chinas más baratas.
Las lámparas incandescentes no parpadean porque funcionan con corriente alterna y el filamento no tiene tiempo de enfriarse cuando el valor de voltaje cruza la marca cero. Las lámparas de tubo fluorescente parpadean si están conectadas de acuerdo con el antiguo circuito de "estrangulamiento". Se puede distinguir por el característico zumbido del acelerador durante el funcionamiento. La foto de abajo muestra las pulsaciones de una lámpara de trama, como las ve la cámara del teléfono.
Las CFL y LL más modernas no zumban ni parpadean solo porque su circuito utiliza una fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia. Dicha fuente de energía se llama balasto electrónico (balasto o dispositivo electrónico). .
Para determinar si las lámparas LED son dañinas para la visión, considere el tercer factor de daño: la radiación infrarroja. Se debe notar que:
¿Son las bombillas halógenas perjudiciales para la salud? Los fabricantes responsables (Philips, Osram, etc.) utilizan filtros IR en fuentes de luz ricas en espectro infrarrojo (halógenos), por lo que se minimiza su daño a la salud.
Está científicamente comprobado que la radiación en el espectro azul reduce la producción de la hormona del sueño melatonina y daña la retina, provocando cambios irreversibles en la misma.
Además de una caída en los niveles de melatonina, la radiación azul provoca una serie de efectos secundarios: fatiga, aumento de la fatiga ocular y enfermedades oculares. Este color se percibe más brillante, que se usa a menudo en marketing para captar nuestra atención. La mayoría de los indicadores de los altavoces, televisores, monitores y otros equipos están hechos en azul.
Lea más sobre esto y cuán seguras son las lámparas LED para los ojos, escriba en la comunidad.
Los LED blancos son LED azules recubiertos con un fósforo especial que convierte la luz en blanco.
El color azul es el factor más negativo en la influencia de las lámparas LED en la visión. Eche un vistazo a los gráficos, a saber, el espectro de emisión de los LED presentados anteriormente. Incluso en una lámpara LED con luz cálida, hay un pico de brillo en el espectro azul, mientras que en luz fría es muy alto.
Entonces, ¿el daño de las lámparas LED a los humanos no es un mito? Ciertamente no de esa manera. El hecho es que los estudios se llevaron a cabo en condiciones en las que las muestras en estudio estaban iluminadas por potentes LED azules y todo su espectro se encontraba en el rango “dañino”.
Aunque hay una fracción de luz azul en los LED fríos, es igual a la luz del sol.
Las personas modernas de cualquier edad pasan mucho tiempo frente a la pantalla de computadoras, teléfonos inteligentes y tabletas. El enfoque continuo a una distancia de 0,3 a 1 metro de la pantalla inflige un daño incomparablemente mayor a la vista.
La nocividad del espectro azul de las lámparas LED, en comparación con el daño de las pantallas de los dispositivos, es insignificante. Para iluminar una habitación, estudio y otros locales con un chorro de luz brillante, con bajo consumo energético, el LED es ideal.
Si está preocupado, se han desarrollado varios lentes y anteojos para trabajar en una computadora para reducir el daño de la radiación azul. Sus filtros reflejan la luz en la gama azul y hacen que los colores sean más cálidos.
Necesito recordar: no son los LED los que son perjudiciales para la salud humana, sino el modo de funcionamiento incorrecto con los dispositivos y la iluminación deficiente.
Para comprender si las lámparas LED son dañinas o no, puede organizar la iluminación correcta de acuerdo con. Regula la cantidad de luz para trabajos de diversa precisión y tamaño de las piezas con las que opera durante el trabajo.
Las fuentes de luz LED le permiten lograr el brillo deseado en el lugar de trabajo, con facturas de luz mínimas. Ahorrarás la vista, te resultará más fácil trabajar cuando la habitación esté iluminada y no necesites mirar pequeños detalles con poca luz. En este caso, la nocividad de las lámparas LED para los ojos es mínima.
El alto consumo de energía de las antiguas lámparas incandescentes no es rentable tanto a nivel nacional (carga pesada en líneas eléctricas) como individualmente (alto consumo y alto precio de la electricidad).
Hoy en día, las disputas sobre si las lámparas LED son perjudiciales para la visión siguen abiertas y no se puede dar una respuesta inequívoca. Han inundado el mercado de la iluminación hace relativamente poco tiempo, hace menos de 10 años, y muchos se muestran escépticos al respecto.
El efecto de las lámparas LED en la salud humana con el debido cumplimiento de la rutina diaria, el sueño y el trabajo será cero. Si una persona está expuesta al estrés, a un esfuerzo excesivo y no se toma en serio la calidad del sueño, ni una sola fuente de luz preservará su salud.
Además de las aplicaciones domésticas, puede ahorrar en iluminación artificial en el invernadero. Spectrum permite que su cultivo crezca más rápido y mejor. Para ello, a menudo se utilizan lámparas DNAT, cuya luz contiene diferentes longitudes de onda.
El poder de tales fuentes de luz se cuenta por cientos de vatios, mientras que los focos de luz LED tienen una potencia diez veces menor y contienen solo las longitudes de onda necesarias para un mejor crecimiento de las plantas.
Aunque los precios de 2011 a 2017 disminuyeron unas 10 veces, el precio de una lámpara LED equivalente a una incandescente de 100 W se mantiene en el nivel de las 10 lámparas incandescentes, lo que detiene a muchos consumidores antes de comprar.
Para la ecología, el rechazo de las lámparas de descarga de gas es una ventaja absoluta, escribimos sobre esto en el artículo sobre. Pero aún no se conoce del todo el peligro que representan las lámparas LED para la salud. Solo está claro que los vapores de mercurio ya no pueden tener miedo.
El uso de nuevas fuentes de luz por parte de una amplia gama de personas permite a los desarrolladores recibir fondos para proyectos nuevos y más perfectos. Y el progreso tecnológico siempre avanza. Por lo tanto, debe esperar las estadísticas, luego se sabrá cuánto daño causan las lámparas LED para la salud, y esto lleva tiempo.
