Как получить белый свет
Перейти к содержимому

Как получить белый свет

  • автор:

Как получить белый свет

Добро пожаловать, Гость. Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь. Войти

3490 Сообщений в 728 Тем- от 5559 Пользователей — Последний пользователь: 7KFD9_enham

09 Март 2024, 18:24

Форум «светодиоды и светодиодное освещение»Общий разделFAQ по светодиодамКак получить белый свет с использованием светодиодов?

Автор Тема: Как получить белый свет с использованием светодиодов? (Прочитано 15306 раз)
0 Пользователей и 1 Гость смотрят эту тему.

Получение белого света

Каждому, кто хоть немного знаком со светодиодами, известно, что как таковой белый светодиод не существует. Вместе с тем, все мы видим в продаже многочисленные светодиодные лампы и светильники,излучающие белый свет. О способах достижения этого и пойдет речь ниже.
На сегодняшний день науке известно три основных способа получения белого света от диодов:
1. Смешивание цветов с использованием технологии RGB (красный-зеленый-синий). Светодиоды трехцветов плотно размещаются на одной матрице, а их излучение смешивается при помощи линзыили другой оптической системы. В результате такого смешивания получается белый свет, а глаз воспринимает конструкцию как белый светодиод.

2. Второй способ схож с технологией RGB – здесь также используется смешение цветов. Но в этом случаена синий светодиод наносится специальный люминофор желто-зеленого или красно-зеленого оттенка.При прохождении синего света через люминофор и образуется свет, близкий по виду к белому.

3. Третий способ – разновидность второго. В данном случае используется ультрафиолетовый светодиод,на который наносятся слои трех люминофоров. Как и при RGB, происходит смешение цветов иполучается белый светодиод.
У каждого способа получения белого светодиода есть свои недостатки и достоинства. К примеру, технология RGB позволяет получить не только белый цвет, но и любой другой оттенок при изменении тока на разныхучастках. Таким образом, необходимо управлять этим процессом – или программным способом, или вручную,через изменение температур. В результате RGB-матрицы используются широко в светодинамическихсистемах.
Кроме того, огромное количество светодиодов RGB может обеспечить достаточно высокий световой потоки значительную осевую силу света. Но при этом световое пятно в результате аберраций оптической системыимеет разный цвет по краям и в центре, а из-за неодинакового отвода тепла с середины матрицы и с еекраев светодиоды нагреваются по-разному. Таким образом, по-разному меняется и их цвет со временем — впроцессе старения цвет «плывет». Это явление хотя и можно скомпенсировать, но сделать это весьма сложнои дорого.
Белый светодиод с люминофором гораздо дешевле, чем RGB-матрицы, и при этом дает качественныйбелый цвет. Но есть и недостатки: у таких светодиодов меньше светоотдача из-за поглощения части светалюминофором; довольно сложно проконтролировать равномерность слоя люминофора; люминофор стареетбыстрее, чем непосредственно сам светодиод.

Как получить белый свет

В сегодняшней светодиодной отрасли белые светодиоды (white LEDs) совершили качественный скачок по показателям яркости, однородности света, цветовой эффективности и уменьшения стоимости люмена. Светодиоды белого свечения теперь имеют устойчивый спрос и находят применение на множестве прикладных рынков (мобильные коммуникации, общее освещение, автомобильные приборные панели, вывески и реклама). В настоящее время потребление белых светодиодов составляет более 50% от общего потребления светодиодов высокой яркости.

Эффективность

Сверхэффективные белые светодиоды Nichia

Световая эффективность, измеряемая в люменах на ватт (лм/Вт, lm/W) — величина, используемая для определения эффективности преобразования энергии (в нашем случае – электрической) в свет. Обычные лампочки накаливания работают в диапазоне 10-15 лм/Bт. Несколько лет назад стандартной величиной эффективности светодиодов было приблизительно 30 лм/Bт. Но к 2006 году эффективность светодиодов белого свечения более чем удвоилась: один из передовых производителей, компания Cree, смогла продемонстрировать на опытных образцах показатель 70 лм/Вт, что представляет 43-процентное увеличение по сравнению с максимальной светоотдачей их серийных белых светодиодов. В декабре 2006 года фирма Nichia анонсировала новые светодиоды белого свечения с достигнутой эффективностью светоотдачи 150 лм/Вт. Данные образцы продемонстрировали световой поток 9,4 лм с цветовой температурой 4600 К при силе тока 20 мА в условиях лаборатории. Заявленная эффективность приблизительно в 11,5 раз выше таковой у ламп накаливания (13 лм/Вт), в 1,7 раза выше, чем у современных люминесцентных ламп (90 лм/Вт). Более того, превышен показатель натриевых ламп высокого давления (132 люмен/ватт), являющихся лучшим по эффективности источником света среди традиционных ламп.

Преимущества

Твердотельный белый свет (SSL – Solid State Light) все еще не является хорошо известным, несмотря на разнообразие способов его получения и реализации через светодиоды. Большинство компаний и проектировщиков знакомы только с традиционным аналоговым белым освещением, без реальной оценки выгодных и полезных альтернатив, обеспечиваемых применением светодиодов. Кроме легко прогнозируемых выгод, которые могут быть получены от твердотельного светодиодного освещения (экономия электроэнергии, длительный срок службы, и т.д.), следует обратить внимание на следующие специфические признаки светодиодов как новых источников белого света:

  • малое тепловыделение и низкое питающее напряжение (гарантирует высокий уровень безопасности);
  • отсутствие стеклянной колбы (определяет очень высокую механическую прочность и надежность);
  • отсутствие разогрева или высоких пусковых напряжений при включении;
  • безынерционность включения/выключения (реакция < 100 нс);
  • не требуется преобразователь постоянного/переменного тока;
  • абсолютный контроль (регулировка яркости и цвета в полном динамическом диапазоне);
  • полный спектр излучаемого света (или, если требуется, специализированный спектр);
  • встроенное светораспределение;
  • компактность и удобство в установке;
  • отсутствие ультрафиолетового и иных вредных для здоровья излучений;
  • не применяется никаких опасных веществ, типа ртути.

Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Черный цвет – это отсутствие всех цветов. Когда свет от всех частей цветового спектра накладывается друг на друга (то есть все цвета присутствуют), совокупная смесь кажется белой. Это так называемый полихроматический белый свет. Основными цветами, из которых можно получить все оттенки, являются красный, зеленый и синий (RGB). Вторичные цвета, также называемые дополнительными: сиреневый (смесь красного и синего); голубой (смесь зеленого и синего); и желтый (смесь красного и зеленого). Любой дополнительный цвет и противоположный основной цвет также дают в сумме белый свет (желтый и синий, голубой и красный, сиреневый и зеленый).

Существуют различные способы получения белого света от светодиодов.

Первый – смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, синие и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. В другом, менее распространенном подходе, для получения белого света смешивается излучение светодиодов основных и вторичных цветов.

Во втором способе желтый (или зеленый плюс красный) люминофор наносится на синий светодиод, в результате два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Третий способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносятся три люминофора, излучающих, соответственно, синий, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

В основе четвертого способа получения белого света с помощью светодиодов, лежит использование полупроводника ZnSe. Структура представляет собой синий светодиод ZnSe, «выращенный» на ZnSe-подложке. Активная область проводника при этом излучает синий свет, а подложка — желтый.

Тип кристалла
Цвет излучения и возможные оттенки
Области применения
Синий и Зеленый
Белый + R, G, B и любые многоцветные комбинации
Подсветка ЖКИ, архитектура, ландшафт, табло и дисплеи
Белый + B, Y и различные многоцветные оттенки
Автомобильное освещение, архитектура, ландшафт
Сине-зеленый
Красный или красно-оранжевый
Белый + B, R и различные многоцветные оттенки
Автомобильное освещение, архитектура, ландшафт
Синие 470–450 нм
Только белый
Общее освещение и подсветка
Ультра-фиолетовый
Белый или различные монохроматические цвета в зависимости от используемого фосфора
Общее освещение и подсветка
Синий / желтый
Белый + синий от эпитаксиального слоя, желтый от подложки
Общее освещение и подсветка
Какой же из способов лучше?

У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Технология смешения цветов в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока, пропускаемого через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством специальной программы. Таким же образом возможно получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, в связи с неравномерным отводом тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

цветовая диаграмма МКО

Белые светодиоды с люминофорами (phosphor-converted LEDs) существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них, в принципе, не проблема попасть в точку с координатами (X=0,33, Y=0,33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе (как следствие, не контролируется цветовая температура); и в-третьих – люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Белые светодиоды ZnSe обладают рядом преимуществ. Они работают при напряжении 2,7 В и очень устойчивы к статическим разрядам. Светодиоды ZnSe позволяют излучать свет в гораздо более широком диапазоне цветовых температур, чем устройства на основе GaN (3500-8500 К по сравнению с 6000-8500 К). Это позволяет создавать приборы с более «теплым» свечением, которое предпочитают американцы и европейцы. Есть и недостатки: хотя излучатели на основе ZnSe имеют высокий квантовый выход, они недолговечны, имеют большое электрическое сопротивление и пока не нашли коммерческого применения.

Применение

Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB светодиоды — у них разные области применения (подробнее — см. применение сверхъярких светодиодов).

Белое светодиодное освещение по RGB-технологии используется в разных областях: многоцветные табло и дисплеи; наружная реклама и архитектура; интерьерная подсветка домов или освещение ландшафта; «здоровое» освещение, устраняющее некоторые из побочных физиологических и психологических эффектов, вызванных люминесценцией; подсветка ЖКИ дисплеев портативных электронных приборов; освещение транспортных средств. Особенности RGB-светодиодов позволяют производить не только белый свет, но и широкую смесь цветовых оттенков с использованием адресного управления, создавать различные цветовые эффекты.

Белый свет, произведенный светодиодами с люминофорами, получил наибольшее распространение в сферах деятельности, напрямую связанных с освещением: от карманных фонариков до головного света автомобилей; от подсветки табличек и дорожных знаков до световых рекламных вывесок и уличного освещения; от сигнальных и навигационных огней до прожекторов. В отличие от RGB-светодиодов, белые светодиоды с фосфором имеют заданный заранее, в процессе производства, оттенок белого. Теперь нам надо выяснить, какой же оттенок подходит лучше для задач общего освещения?

Цветовая температура

Рассмотрим спектр излучения белого светодиода с люминофором как источника полихроматического света. Белые светодиоды позволяют делать выбор в широком диапазоне цветов от «теплого» белого цвета лампы накаливания до «холодного» люминесцентного белого, в зависимости от задач применения.

Цветовая температура светодиодов

Эта диаграмма показывает полный диапазон белого от его более теплой области 2800 K, до холодной синевато-белой области 9000 К. Многие оттенки белого уже определены различными источниками света, используемыми в окружающем нас пространстве: офисный, прохладный синевато-белый свет люминесцентных ламп; домашний, желтовато-белый свет ламп накаливания; индустриальный, бриллиантовый сине-белый свет ртутных ламп; желто-белый свет от уличных натриевых ламп высокого давления.

Компания Osram Optosemiconductors , как изготовитель и международный дистрибьютор светодиодных систем освещения, нашла различия внутри США и Европы, где каждый регион имеет свои собственные понятия о том, какой диапазон белого света более всего подходит для нужд освещения. Тем не менее, 6500 K считают оптимальной температурой, которая стала фактическим стандартом для белых светодиодов. Многие компании, работающие в области световой рекламы, в интересах простоты и соблюдения последовательности, предлагают этот единственный один оттенок белого — 6500 K. Это создает больше предпосылок для выработки стандарта и меньше замешательства среди проектировщиков световых коробов в попытке привести в соответствие, скажем, светодиодный белый к белому торговой марки/эмблемы их заказчика.

Как получают белый свет светодиода: существует ли белый цвет свечения и как он получается

Как получают белый свет светодиода: существует ли белый цвет свечения и как он получается

С точки зрения физики белое свечение можно получить при смешивании семи базовых цветов. В светотехнике используется иной подход. Чаще всего смешиваются 2 или 3 разноцветных свечения. При оригинальных оттенках люминофоров можно получить свет различных необычных оттенков.

Что такое белый свет

Глаза людей воспринимают видимое электромагнитное излучение в определенном диапазоне. Ультрафиолетовые, инфpaкрасные и рентгеновские лучи тоже световые, но никто их не видит из-за слишком большой или слишком короткой длины волны. Белый свет создают световые волны с различной длиной. Самые короткие красные, самые длинные фиолетовые. Волны остальных цветов располагаются посередине.

В природе белый свет непрерывный (излучаемый фотосферой Солнца) и линейный, состоящий по меньшей мере из трех видов разноцветного излучения. При определенных обстоятельствах белый свет расщепляется на отдельные части спектра. Например, проходя через призму, луч разделяется на 7 частей с различной длиной волны и частотой колебаний. Если пропустить этот спектр через линзу, снова можно получить белый свет.

Еще Ньютон определил, что белый свет состоит из всех цветов, в черном цветов нет, Световые и цветовые волны способны складываться. Согласно закону физики, белое свечение вызывает отражение от какого-то предмета всех световых волн. Чтобы получить белый свет в светотехнике, используются 3 основных цвета: красный, зеленый и синий.

Цветовое прострaнcтво

Цветовым прострaнcтвом называют абстpaктную модель палитры, которая построена так, чтобы любой цвет стал точкой с определенными координатами, а конкретные координаты соответствовали одному цвету. Для упрощения измерений и расчетов создается изображение, называемое цветовой диаграммой (графиком).

RGB матрица – трехмерное цветовое прострaнcтво, в котором для каждого отдельного цвета выбран набор трех координат. Существует множество цветовых прострaнcтв, но размерность всегда определяют координаты.

Справка! В светотехнике не требуются прострaнcтва с высокой размерностью, например, ProPhoto, используемое для создания ксерокопий различных документов.

Цветопередача

Понятием «цветопередача» в светотехнике хаpaктеризуют влияние спектра свечения ламп на восприятие цвета объекта глазами человека. Отношение восприятия при искусственном и естественном освещении хаpaктеризуется коэффициентом CRI с максимальным значением 100 Ra. Человек воспринимает цвета окружающих его предметов наиболее натурально при значении 80-100 Ra.

Любой источник искусственного света должен обеспечить максимально точное восприятие цветов и оттенков. При расчетах учитываются требования к функциональности лампы и ее местоположение в помещении. Ra определяется при помощи восьми эталонных цветов, определенных DIN 6169.

Как получить белый свет с использованием светодиодов

Для того, чтобы получить белое свечение от светодиода, существуют 3 метода:

Положи в корзину сейчас:

  • перемешивание при помощи технологии RGB;
  • нанесение люминофора трех цветов (красного, зеленого, гoлyбого) на линзу диода, светящегося ультрафиолетовым цветом;
  • нанесением люминофора зеленого (желто-зеленого) и красного люминофора на диод, светящийся гoлyбым цветом.

Технология RGB при изготовлении светодиодов дает возможность получить белый свет различных оттенков, отличающихся по температуре. Но у свечения различный оттенок посередине и по краям. В процессе эксплуатации цвет расплывается, что не всем производителям удается это компенсировать.

Светодиоды с люминофорами дешевле, свечение качественное, но толщину слоя люминофора сложно контролировать, люминофор стареет быстрее, чем диоды, из-за него снижается светоотдача

Из чего можно собрать белый свет

Кроме технологии RGB существуют другие методы, позволяющие получить белый свет светодиодов, базирующиеся на смешивании:

  • 7-и цветов радуги;
  • чистого красного и гoлyбого;
  • желтого и синего;
  • красного и желто-зеленого.

Основные способы получения

Не все производители при изготовлении светодиодного источника света используют кристаллы, излучающие базовые цвета. Другие варианты иногда оказываются более интересными. Например, белый свет светодиодов можно получить при смешивании желтого и синего, но CRI получается –13 Ra. Если свечение желтого расширить, добавив красный и желто-зеленый, Ra = 61.

Существую и другие уникальные технологии производителей светодиодов:

  • Cree TrueWhite – синий, желто-зеленый и красный;
  • Osram Brilliant Mix – красный, зеленый и оранжевый.

Справка! Уникальной можно считать технологию Osram EQ white, в которой предусмотрено смешивание синего и желто-зеленого. Оттенок белого в излучении светодиодов получается зеленоватый, Ra = 65.

Основные выводы

Основная цель производителей светодиодов – повысить светотехнические хаpaктеристики своей продукции, в том числе цветопередачу. Для этого не всегда достаточно RGB. Показатели меняются так же при замене оттенка люминофора. В результате белое свечение светодиодов приобретает различные оттенки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *