Светодиоды: классификация, назначение, основные характеристики

Часть 1. Обозначение проблемы

Для чего я это делаю? Я просто хочу комфортный свет в квартире (офисе), я не хочу напрягать глаза, рассматривая мелкие предметы, я хочу, чтобы не уставали глаза от долгой работы за экраном. Многие мои знакомые и родственники сказали мне «большое спасибо!» за то, что «открыл глаза» на альтернативные источники света.

Начало исследования

С того момента, когда полностью перешёл на МГЛ дома, а акцентированный свет заменил на люминесцентные линейные лампы 9xx серии и КЛЛ PL-E 8W — у меня резко уменьшилась толерантность к освещению под светодиодами. Я думал, что это только моё восприятие, но нет — жена, знакомые, которые также убрали почти все светодиоды из дома, говорили тоже самое.

Вместе с моим партнёром по данному проекту было проведено исследование в области искусственного освещения. Свою точку зрения он изложил в видео. Таким образом, предлагаем вам к рассмотрению два взгляда на современное освещение.

Было просмотрено довольно много материала, но почти все общедоступные научные исследования базируются на одно и том же:

• группа 50-100 человек и они говорили насколько комфортно в помещении под исследуемым источником света;
• считают колбочки и палочки в отрыве от «программной» обработки данных мозгом;
• не учитывают инсоляцию региона, время года и образ жизни;
• ссылаются на индекс цветопередачи CRI где эталоном являются одновременно лампа накаливания и дневное небо (лампа накаливания слаба в освещении синих тонов, а небо при 7500 К слабо в освещении красных тонов);
• не изучали Эффект Пуркине применимо к светодиодному освещению;
• основаны на спектральной световой эффективности монохроматического излучения — кто решил что остальной спектр не нужен, загадка:

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

  В 1924 году Международная комиссия по освещению (МКО) утвердила этот набор в качестве стандарта, после чего он стал международно признанным и в качестве такового используется вплоть до настоящего времени. В Российской Федерации данный стандарт также является действующим.

Принцип работы диодов для чайников

Чтобы понять, как работает светодиод, нужно знать, что такое p-n-переход. Это область, в которой соприкасаются полупроводники p и n типа, в результате чего один тип проводимости переходит к другому. N тип содержит электроны проводимости как носители заряда. Полупроводник p типа носитель положительного заряда (дырки).

Анод (p типа) является положительным электродом, катод (n типа) это отрицательный электрод. Внешняя поверхность катода и анода содержит контактные металлические площадки с припаянными выводами. Когда к аноду подается положительный заряд электричества, а к катоду отрицательный, то на р-n переходе между кристаллом катодом начинает течь ток.

Если включение прямое, то электроны из n и области и дырки из p-области устремятся навстречу друг другу. В процессе легирования (обмена электронами) на границе дырочно – электронного перехода произойдет их обмен. Если отрицательное напряжение подается со стороны материала n-типа, то происходит прямое смещение. При рекомбинации (обмене) выделяется энергия в виде фотонов.

Чтобы поток фотонов преобразовать в видимый свет, материал подбирают так, что длина волны фотонов находится в пределах видимой области цветового спектра длиной волны от 700 до 400 нм.

Чтобы упрастить работу с диодными осветительными приборами или, например, гирляндами, узнайте как проверить светодиод мультиметром.

Подготовка к исследованию

Собственно возвращаемся к заголовку данной статьи «светодиоды — ослепляющая темнота», это самое полное описание того эффекта, который был обнаружен. Хочу сказать сразу, что это относится только к регионам с низкой инсоляцией и осеннем-зимнем-весенним временем года.

При массовом переходе на светодиоды, в продуктовых магазинах стало сложно отличить немытую зелёную картошку от нормальной. Но понимание того, что не так, пришло именно в метро, где массово начали переходить на светодиодное освещение, а пол и стены облицованы мрамором или гранитом.

Приведу немного измерений, сделанных на «скорую руку» в метро. Я не использовал специализированный люксметр, а ограничился ПО для смартфона Physics Toolbox Sensor Suite, данное ПО на моем смартфоне Xperia 1ii даёт погрешность около 15% в измерении (при сравнении с люксметром Radex Lupin), максимальный уровень яркости 20000лк, но так как для эксперимента важна разница в яркости, а не точность, то данного приложения достаточно.

К большому сожалению, фотокамера видит мир по другому, так что заснять данный эффект не получится. Не забываем про инерционность зрения и адаптацию к освещению, идеальный вариант находиться под источником света не менее 15 минут.

Измерения проводились «с руки», так что не исследуется количество света попадающего на предметы и отражённого от них, но в данном случае это не влияет на результаты. Суть эксперимента доказать, что при одинаковой освещённости <500лк при светодиодном освещении детализация ниже.

Сила и напряжение, потребляемого светодиодом тока

Почти все светоизлучающие диоды рассчитаны на стандартную силу тока 20 мА. При вычислении сопротивления светодиода по закону Ома используется именно эта величина.

Светодиод, как собственно и любой диод, способен пропускать ток только в одну сторону, для стабильной работы он должен быть постоянным. Источником питания для LED источников света является дроссель, который выдает необходимые характеристики потребляемого тока. Светодиодный кристалл рассчитан на напряжение, колеблющееся от 0,5 до 6 вольт.

На одной подложке может быть размещено несколько LED кристаллов. Сумма показателей напряжения всех кристаллов составит требуемый показатель для такого источника света.

Следует заметить, что в электрофизических значениях светодиодов существует допустимый разброс вольт амперной характеристики (ВАХ), это обусловлено технологией производства. Невозможно вырастить кристаллы с жестко ограниченными показателями. Подгон показателей производится методом калибровки.

Монтаж следует проводить в соответствии с обозначенной полярностью. При неправильном включении светодиод закроется, и работать не будет. Если напряжение превысит предел в 5 вольт, произойдет пробой, что приведет к порче изделия.

Для правильного подключения катод на DIP светодиодах обозначается более короткой ногой, на SMD это будет спил на подложке возле соответствующего контакта.

Исследование

1. метро Санкт-Петербурга

   Из множества станций была выбрана: Садовая, Сенная площадь и станция Технологический институт.

   Станция Садовая освещена люминесцентными лампами t5 (цветовая температура 3000k), освещённость в вестибюле составляет ~150лк — смотрим внимательно на мрамор/гранит, текстуры на нем хорошо различимы, видно тонкие прожилки.

   Теперь переходим на станцию Сенная площадь, от яркого света начинает «резать» глаза (цветовая температура ~4000k), освещённость >360лк — смотрим на пол и стены, контрастный рисунок хорошо различим, но мелкие детали и полутона сливаются, и приходится напрягать зрение, при этом поверхность сильно бликует.

   Станция Технологический институт (на дату 08.12.2021) — освещена лампами МГЛ (разной степени «усталости»), освещённость ~200лк — очень хорошо видно рисунок и мелкие прожилки на мраморе/граните, детализация выше, чем при освещении люминесцентными лампами.

2. Домашний эксперимент

   Для эксперимента дома вам потребуется лампа накаливания, очень советую использовать низковольтные галогенные лампы, толстая спираль и номинальное напряжение даст более приятный спектр, с большим количеством фиолетового и зелёного в спектре, светодиодные лампы лучше использовать тёплые, также для сравнения можно добавить качественную люминесцентную лампу.

   Суть эксперимента предельна простая: создать освещённость в 200лк и 800лк, посмотреть, как выглядят под этим светом мелкие предметы и сложные текстуры. Данный эффект будет усиливаться со временем. Данный эксперимент лучше проводить вечером, когда солнце уже сядет за горизонт.

Промежуточный вывод

Для того, чтобы разглядеть мелкие предметы или текстуры поверхности, приходится напрягать зрение или сильно увеличивать яркость освещения светодиодами, что приводит к нежелательным бликам поверхности и напрямую влияет на экономию электроэнергии и энергоэффективность, также сильно возрастает расход витамина A в организме (об этом в следующей статье). И влияет на это фиолетовый, UV-A, ближний инфракрасный. Не забываем про «программную» обработку данных мозгом, видимо края видимого спектра являются неким триггером о том, что солнце в небе.

Хочу привести таблицу эффективности популярных источников света, если честно устал от рекламы светодиодов с КПД в 90%.

Учитывая, что новые HiCRI светодиоды делают на синем кристалле 460нм, а не 440нм, как ранее — то имеем ещё более «ужатый» видимый спектр. Кто решил что этого «хватит» человеческому зрению — большая загадка. Именно с самого своего начала человек жил под солнечным светом и глаз адаптировался именно к нему.

Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод, что лампой с самым полным спектром, приближенным к солнечному — является лампа МГЛ.

Цветовые характеристики

Свет имеет волновую природу, длина излучаемой волны определяет цвет и измеряется в нанометрах (нм). Человеческий глаз способен воспринимать диапазон от 380 до 760 нм, что соответствует видимому спектру.

Примечательно, что человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность при показателе 555 нм, следовательно, источник с таким параметром будет иметь наибольшую степень освещенности.

Почему тёплый свет?

Почему лучше лампы тёплые? В интернете гуляет такой график «комфортности» освещения в зависимости от ЦТ — кривая Круитхофа

Кривая Круитхофа не содержит фактических данных, которые стали основой для её построения, а лишь указывает на приблизительные соотношения освещённости и цветовой температуры для комфортного искусственного освещения. В связи с этим, научная ценность кривой неоднозначна.

С него хорошо видно, что если мы хотим «комфортный» холодный свет, то освещённость должна быть >1000лк в помещении, а это уже затратно. Верить в это или нет, вопрос исключительно личного мнения — например, я с ней согласен, только с одним условием — этот график совершенно не подходит для светодиодного освещения.

Срок эксплуатации

Этот параметр указывает на предполагаемую продолжительность работы LED кристалла. Индикационные светодиоды имеют продолжительность работы до 100 000 часов. Для сверхярких источников этот показатель составляет максимум 60 000 часов. Производители из Поднебесной зачастую завышают и этот показатель.

Для продления срока эксплуатации необходимо соблюдать температурный режим работы лед светильника. Другими словами, чем эффективней охлаждение, тем дольше живет источник.

Для наглядного ознакомления рекомендуется посмотреть видео. Автор видео всего за несколько минут лаконично описывает основные параметры и характеристики, которые действительно важны при выборе светодиодов.

Что дальше

Фанатам светодиодного освещения, разочарованным данной статьёй, могу лишь только посоветовать SORAA VIVID стоимостью >2000 руб за 470 люмен, в которой исправлена часть проблем светодиодного освещения ценой уменьшения светоотдачи до <50 люмен на ватт, но проблема быстрой деградации люминофора осталась, а тем, кто хочет получить по-настоящему комфортное освещение, предлагаю немного подождать.

Уже скоро —

Максимальная рабочая температура

Рабочая температура — одна из важнейших характеристик светодиода. При работе выделяется большое количество тепла, переизбыток которого может привести для начала к падению интенсивности светоизлучения, а в дальнейшем и к полной порче светодиода. Некоторые сверхяркие кристаллы способны разогреваться до температуры 150˚ С.

Производители ввели понятие «максимальная рабочая температура» для определения пределов температурного режима, в котором работа лед источника будет оптимальной. Значение допустимой температуры обозначаются в общих паспортных данных.

Для борьбы с избыточной температурой применяются алюминиевые и медные термоотводящие радиаторы. Маломощные SMD светодиоды монтируются на плату (подложку), которая также выступает и в роли охладителя. Для улучшенной теплоотдачи место соединения светодиода и радиатора смазывается термопастой.