Проблемы светодиодного освещения.

Сейчас существует два основных источника света, использующихся для освещения: лампы накаливания и газоразрядные лампы. И те и другие обладают некоторыми достоинствами и недостатками.
В последнее время у ламп накаливания и люминесцентных ламп появился конкурент — светодиоды.
Развитие последних задерживает высокая цена, а также отсутствие рациональных конструкций.
Разработав практичные виды светильников, их можно будет использовать. Прежде всего — в промышленном секторе, где эффективность — более важный фактор, чем стоимость.
Светодиодные светильники обладают, по сравнению с предшественниками, многими достоинствами. Это монохромность света, малые размеры, стойкость к механическим повреждениям. Кроме того, светодиоды слабо греются.
То, что светодиоды питаются малыми напряжениями, позволяет свести на нет опасность коротких замыканий, а также избавиться от крупных проводов, которые являются неотъемлемой частью систем освещения газоразрядных ламп.
Светодиодные светильники не только будут более эффективными и экономичными, но и смогут принципиально решать проблемы экологической, пожаро- и взрывобезопасности: они не требуют громоздких защитных конструкций — как, например, газоразрядные лампы.
Как уменьшить слепящий эффект
На сегодняшний день светодиоды используются только для узкого спектра работ. В основном это рекламное освещение и подсветка. Это не только ограничивает их в действии, но и не позволяет им развиваться.
Идеи по созданию светодиодных светильников не новы: на сегодняшний день существует немало моделей световых приборов подобного типа. Но они имеют множество недостатков. Их не всегда совершенная конструкция приводит к тому, что светильники дороги, обладают низким КПД, неподходящей кривой распределения силы света, а также сильнейшим слепящим эффектом. Для промышленного освещения это недопустимо, поэтому вопрос разработки рациональных конструкций светодиодных светильников остается открытым.
Перед авторами была поставлена задача по разработке светодиодных светильников промышленного освещения: в первую очередь для шахтного, аварийного и судового освещения. Основные требования к таким приборам — это взрывобезопасность, пожаробезопасность, низкий слепящий эффект, ударо-стойкость, экономичность и эффективность.
Одним из важных недостатков существующих источников света является слепящий эффект, который снижает производительность работ. Однако благодаря тому, что в приборах используется узкий пучок света, несложно его уменьшить. Направленный слепящий свет можно рассеять с помощью менее сложных оптических систем и с меньшими потерями энергии, чем рассеянный слепящий свет газоразрядных ламп.
Вопрос о материале для корпуса светильника был решен в пользу поликарбоната или оргстекла, потому что эти материалы очень прочны, просты для обработки, сравнительно недороги и имеют различные светопропускные способности. Большинство поликарбонатов при горении не выделяют вредных химических веществ, что немаловажно для шахт и судового освещения.
В результате исследований был создан первый опытный образец светодиодного светильника.
Выглядит он так. На двух гранях прямоугольного листа поликарбоната толщиной 10 миллиметров расположены две светодиодные линейки. Созданием полукруглых скосов можно добиться максимально равномерного рассеивания света с минимумом потерь.
Светодиодные линейки состоят из кластеров, включенных параллельно. Внутри кластера расположены три светодиода, включенные последовательно. Эти параметры были подобраны как наиболее удобные при подключении к блокам питания.
Авторами были определены основные параметры светильника. В первую очередь — КПД светильника (отношение выходящего светового потока к световому потоку источников света), который оказался равен 60 процентам. Реальный КПД, по мнению разработчиков, может быть меньше на 10‑20 процентов, так как не учтен КПД светодиодов.

 

Распределение света
Главнейшей характеристикой светильника является кривая распределения силы света — график зависимости силы света от направления в полярных координатах. Была проведена серия экспериментов, позволившая построить кривую распределения силы света, а также освещенности и яркости в зависимости от направления. Сравнение полученной кривой с аналогичными характеристиками у газоразрядных ламп показало, что достигнуто сильное рассеяние света, а визуальная оценка и оценка изменения яркости от направления показали, что слепящий эффект очень мал.
Характерен участок кривой распределения в направлениях больше 90 градусов. Сила света в этих направлениях больше нуля и постепенно убывает до 0 в направлении около 110 градусов. Это позволяет избежать резких теней на потолках, благодаря чему глаз не должен напрягаться при переводе взгляда.
Также был проведен эксперимент по определению зависимости освещенности белого экрана от высоты светильника над ним. Он показал, что из‑за большого рассеяния света освещенность быстро убывает, однако при этом светильник не дает светового пятна на поверхностях и равномерно освещает помещение.
Светодиоды подпитываются постоянным током, что вынуждает к использованию блоков питания. Однако это имеет и свои преимущества. В первую очередь — это дает возможность расположить в комнате или цехе блок питания, и тонкие провода гораздо безопаснее, чем проводка под 220 В. Это препятствует возникновению искр, пожаров и взрывов, что важно, например, для шахтного освещения. Также малые токи позволяют питать систему светодиодных светильников от возобновляемых источников энергии.
Следующий образец позволяет нам обойтись без перехода линза–воздух–стекло, что делает выше КПД, а также принципиально позволяет использовать любые светодиоды. Эта конструкция проста в сборке и обладает малой себестоимостью.

Светильник состоит из системы отражателей и корпуса. Корпус представляет собой одну большую и две малые оси, на которые надеты кластеры. Оси крепятся к верхнему отражателю — тонкой пластине поликарбоната, покрытой отражающим слоем, рассеивающей свет и отражающей его в необходимом направлении. Кластеры могут вращаться около оси, а малые оси — еще и вокруг своей оси, что позволяет немного регулировать направление лучей от светильника. Отражатели сделаны таким образом, чтобы отраженный от них свет не попадал на источники. При необходимости можно монтировать нижний отражатель под главной осью, для уменьшения потерь света.
Мощность светильника — 16 Вт, номинальное напряжение — чуть меньше 10,8 В.
Тот факт, что светильники потребляют малое количество энергии, позволяет предложить схему питания системы освещения в любом помещении от солнечных батарей. Это сейчас наиболее эффективный возобновляемый источник энергии.
Тот факт, что яркость светодиодов прямо пропорциональна силе тока, позволяет предложить систему авторегулировки освещения.
Система, построенная авторами на основе любой автоматической системыуправления, такова. Фотометр фиксирует освещенность, компьютер сравнивает ее с ГОСТом и, при необходимости, изменяет ток, благодаря чему яркость светильника изменяется на разницу между стандартом и результатом измерений. Такая система позволяет в любое время суток и при любой погоде поддерживать одинаковую освещенность в помещении.
Светодиодные светильники принципиально могут обладать свойством конструктора: мы можем создавать так называемые «элементарные модули», а затем предоставлять потребителю возможность монтировать свою индивидуальную систему освещения. Авторский элементарный «модуль освещения» состоит из трубки или пластинки из молочного поликарбоната. Длина корпуса подбирается так, чтобы в середине его свет каждого светодиода рассеялся на вкраплениях практически до нуля, что позволит создать равнояркость.
В процессе дальнейшей работы были разработаны таблички для аварийного освещения, которые имеют множество преимуществ в сравнении с ныне существующими, использующими лампы накаливания. Использование светодиодов позволило в два раза сократить их толщину. А также существенно понизить напряжение питания и питаемую мощность, что значительно повышает ее жизнеспособность и надежность при аварийных ситуациях. К тому же она обладает большой ударостойкостью, в отличие от табличек с лампами накаливания.
Состоит изобретение из листа поликарбоната, в котором размещаются шесть светодиодов в два кластера. На другой стороне листа напротив светодиодов располагаются линзы, которые рассеивают свет. На некотором расстоянии от линз закрепляется на болтах непосредственно светящаяся часть таблички — лист молочного поликарбоната, на который наклеена полупрозрачная цветная пленка с вырезанными на ней символами. Номинальная мощность таблички — 18 Вт, номинальное напряжение — 12 В. Расстояние от молочного листа до линз подбиралось из геометрических расчетов, чтобы достигалась максимальная равнояркость листа.

4. Физиологическое значение освещения.

Зрительный анализатор человека (глаза) воспринимает электромагнитные излучения в диапазоне длин волн l 0,38 – 0,76 мкм как видимый свет. Кванты света, обладая большой энергией, влияют на структуру и метаболизм клеток и тканей живых организмов: стимулируют дыхание, кровообращение, деятельность желез внутренней секреции и процессы роста, синтез витамина D и некоторых гормонов (серотонина – «гормона радости»), усвоение кальция, фосфора и других минеральных элементов. Наибольшая чувствительность зрения проявляется в желто–зеленой части спектра (l 0,55–0,58 мкм); длинные красные лучи (l 0,76 мкм) возбуждают нервную систему; более короткие синие, зеленые лучи действуют успокаивающе. Достаточное освещение обеспечивает безопасность, высокое качество и производительность труда, которая возрастает на 15–18%. При неблагоприятных условиях видения (недостаточной или значительно изменяющейся освещенности и т.п.) глаза человека приспосабливаются благодаря особым свойствам аккомодации и адаптации.

Аккомодация – способность глаза приспосабливаться к ясному видению предметов, находящихся от него на разных расстояниях. Адаптация – способность глаза изменять чувствительность при изменении условий освещения.

Излишне яркий источник света вызывает ослепление (в первый момент человек практически не видит).В зависимости от разности яркостей излучения процесс адаптации значительно замедляется (до нескольких минут). Ослепление, особенно систематическое (при сварочных работах), вызывает раздражение и резь в глазах, головные боли, травмирует орган зрения и нервную систему.

Рациональное освещение должно соответствовать гигиеническим (иметь благоприятный спектральный состав, обеспечивать достаточную освещенность, равномерность, отсутствие слепимости) и экономическим требованиям.

Метамерия.

Метамери́я (или метамери́зм) — свойство зрения, при котором свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. В более узком смысле, метамерией называют явление, когда два окрашенных образца воспринимаются одинаково окрашенными под одним источником освещения, но теряют сходство при других условиях освещения (с другими спектральными характеристиками излучаемого света).    Физиологически метамерия зрения основана на строении периферического отдела зрительного анализатора. У позвоночных эту функцию выполняет сетчатка, в которой за восприятие цвета отвечают особые фоторецепторные клетки — колбочки. Колбочки представляют собой сенсорные нейроны, в мембранных дисках которых содержатся светочувствительные пигменты — опсин].

У высших приматов (узконосые и частично широконосые обезьяны), в том числе и у человека, имеется три типа колбочек; светочувствительные пигменты в этих колбочках способны преимущественно воспринимать свет в фиолетово-синей, зелёно-жёлтой и жёлто-красной частях спектра. Диапазоны чувствительности этих трёх типов колбочек частично перекрываются[5][6]. От колбочки в головной мозг поступает сигнал, кодирующий интегральное значение интенсивности светового излучения в соответствующей части спектра. Таким образом, человеческое цветовое зрение является трёхстимульным анализатором: характеристики цвета выражаются всего в трёх значениях. Если свет с разным спектральным составом производит на колбочки одинаковое интегральное действие, соответствующие цвета воспринимаются как одинаковые.

У подавляющего большинства млекопитающих зрение — двухкомпонентное (имеются всего две разновидности опсинов). Так, европейская рыжая полёвка различает лишь красный и жёлтый цвета, а у опоссума, лесного хоря и некоторых других видов цветное зрение вообще не обнаружено. У птиц же имеется четырёхкомпонентное цветовое зрение, и хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам благодаря ультрафиолетовой люминесценции компонентов их мочи.