Светодиодные лампы
Отказ от использования люминесцентных ламп стал возможен после выхода на арену в начале 2000-х ламп нового типа – светодиодных, или led-ламп (от английского light-emitting diode), к разговору о которых мы и переходим.
Принцип работы
Сначала о том, что такое светодиод. Это крохотный кристалл полупроводника, в одной половине которого создан путём добавления определённой примеси избыток свободных электронов, а в другой – наоборот, избыток «вакансий», так называемых дырок, которые с удовольствием захватывают свободные электроны. Это и есть светодиод. При пропускании через него тока нужного направления электроны прорываются через границу раздела двух областей и захватываются дырками. При каждом акте захвата выделяется квант света – фотон. Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, в каком именно – зависит от химического состава светодиода.
В начале 1960-х были созданы светодиоды с красным свечением, в 1970-х годах – с зелёным и жёлтым. Но для получения белого света совершенно необходима ещё и синяя составляющая. Синие же светодиоды появились лишь 20 лет спустя, в 1993 году. С этого момента началась разработка осветительных светодиодных устройств, которые могут давать любой оттенок освещения, в том числе белый. Не удивительно, что за изобретение синих светодиодов японские учёные в 2014 году получили Нобелевскую премию.
Есть два основных способа получения белого света с помощью светодиодов.
Первый – объединить на одной матрице светодиоды трёх основных цветов: красного, зелёного и синего (технология RGB, как в цветном телевидении и фотографии). С точки зрения светоотдачи это самый выгодный вариант, но цветопередача получается не слишком хорошей, особенно для пастельных тонов. Поэтому в бытовых лампах RGB-технологию не применяют, но используют её в световых панелях или лентах.
Второй способ – покрыть кристалл синего светодиода слоем люминофора, излучающего в жёлто-оранжевой части спектра. Часть синего света проходит сквозь люминофор и смешивается с его жёлто-оранжевым свечением. Такое сочетание глаз воспринимает как белый. В отличие от КЛЛ, люминофора требуется гораздо меньше, ведь светодиод очень компактен, поэтому можно использовать более дорогие люминофоры лучшего качества и увеличивать толщину слоя люминофора, улучшая итоговый спектр. Правда, энергоэффективность при этом несколько падает. Преимущество этого способа – хорошая цветопередача.
Имеются и ультрафиолетовые светодиоды. Если желательно, чтобы излучатель имел ультрафиолетовую составляющую света, берут ультрафиолетовый светодиод и три слоя люминофоров, излучающих синий, зелёный и красный свет. Это похоже на получение белого света в люминесцентных лампах. В массовой продукции такие излучатели не используются.
Как устроена светодиодная лампа
Один светодиод светит ярко, но из-за малых размеров имеет малую световую мощность. Светодиодная лампа содержит десятки кристаллов-светодиодов, размещённых на общей плате. Каждый кристалл покрыт люминофором. В некоторых моделях ламп с прозрачной колбой вы можете увидеть жёлтые квадратики – это и есть светодиоды, покрытые жёлтым люминофором. Яркий свет крохотных светодиодов слепит глаза, поэтому в большинстве ламп светодиодная плата закрыта пластиковым колпаком-рассеивателем, который равномерно распределяет свет во все стороны.
От плато со светодиодами надо отводить теплоту, ведь при протекании тока через кристалл не вся работа электрического поля превращается в излучение – часть тратится на нагревание. Для теплоотвода лампы обычно снабжают алюминиевыми теплообменниками-радиаторами ребристой формы.
Помимо ламп, популярны светодиодные ленты: один или несколько рядов светодиодов располагают на гибкой основе. Делают и светодиодные светящиеся панели различной площади.
И непременная часть типовых светодиодных ламп, которые включаются в сеть с напряжением 220 В, – встроенный в корпус лампы источник питания светодиодной платы: драйвер. Его задача – выпрямить и сгладить пульсации напряжения, чтобы питать светодиод постоянным током. От качества драйвера зависит коэффициент пульсации лампы.
В дешёвых лампах драйвер может отсутствовать, вместо него применяется простой блок питания, не обеспечивающий стабилизации напряжения и тока. В миниатюрных лампочках драйвера нет по причине нехватки места внутри корпуса.
Особенности спектра
Спектр светодиодных ламп с люминофором, которые используются для освещения, содержит синий пик – свет самих светодиодов – и непрерывный спектр излучения люминофора, захватывающий широкую область от зелёного до красного (рис. 18). Непрерывный характер спектра является большим преимуществом led-ламп перед КЛЛ. Но обратите внимание на ярко выраженный провал в области голубого света (480 нм), а это как раз та часть солнечного спектра, которая максимально представлена в спектре голубого неба и которая стимулирует выработку «гормона бодрости» серотонина. Проблема «заполнения провала» волнует разработчиков ламп, но до сих пор ещё не решена.
Главная же опасность света led-ламп – это синий пик на длине волны около 450 нм. Многие окулисты высказывают опасения, что этот избыток синего света может вызвать помутнение хрусталика и даже провоцировать повреждения сетчатки, особенно у детей, хрусталик которых особенно прозрачен для ультрафиолета. Проблема синего пика усугубляется нехваткой красного света в спектре led-ламп. Вы ведь помните: при нехватке красного требуется бóльшая интенсивность света для зрительного комфорта. Для увеличения интенсивности мы увеличиваем число ламп – и ещё больше возрастает мощность синего света.
Особенно опасно «ударное» воздействие синего света при резком переходе от темноты к свету, когда хрусталик расширен, а сетчатка не защищена чёрным пигментом. Замечали, как хочется зажмуриться при резком включении светодиодных или люминесцентных ламп в тёмном помещении? Поэтому лучше включать такие источники понемногу, постепенно увеличивая освещённость. Имейте это в виду по утрам.
Рис. 18. Примерные спектры светодиодных ламп «холодного белого» и «тёплого белого» света
Для поражения сетчатки глаз синим светом требуется в 10–100 раз меньшая энергетическая мощность, чем для аналогичного поражающего воздействия светом в более длинноволновом участке спектра.
Приглушить синий пик можно, увеличивая толщину слоя люминофора. Правда, при этом КПД лампы понижается. В лампах «тёплого белого» света (цветовая температура меньше 3500 К) используется более толстый слой дорогого многокомпонентного люминофора с интенсивным излучением в жёлто-оранжевой области, и синий пик в спектре существенно меньше выражен, чем в лампах «дневного» (3500–5300 К) и «холодного белого» (выше 5300 К) света. К сожалению, процесс изготовления ламп «тёплого света» более сложен, и они дороже. Но самое главное: за два-три года работы люминофор успевает деградировать, и цветовая температура постепенно повышается. Лампа способна работать ещё несколько лет, но качество света будет всё хуже и хуже.
Пульсации излучения
Коэффициент пульсации зависит главным образом от качества драйвера. Хорошие светодиодные лампы практически не пульсируют (коэффициент пульсации 1–2 %). Дешёвый же драйвер вместо постоянного тока даёт на выходе выпрямленный ток частоты 50 Гц (то есть переменный ток в течение половины периода просто не пропускается). В итоге, купив дешёвую светодиодную лампу, вы можете иметь световой поток, зависящий от времени, как показано на рисунке 19. Коэффициент пульсации таких ламп приближается к 100 %. Проблема в том, что рынки и магазины заполнены led-лампами с высоким коэффициентом пульсации. Большими пульсациями грешат и так называемые «кукурузные» лампы. Даже у одного и того же производителя могут выпускаться лампы как высокого, так и низкого качества.
Рис. 19. Пульсации светового потока при питании светодиодной платы выпрямленным напряжением
Есть ещё один неприятный момент. Производитель заявляет на упаковке очень большой срок работы лампы (к примеру, 25 лет). Но электронные компоненты, входящие в состав драйвера (прежде всего электролитические конденсаторы), выходят из строя гораздо раньше, скажем, через 2–3 года, особенно если драйвер размещён в корпусе лампы и подвергается нагреву. И излучение лампы начнёт пульсировать! Это касается даже качественных ламп надёжных производителей. Так что проверяйте свои led-лампы время от времени с помощью камеры смартфона. И меняйте их, не дожидаясь окончания заявленного производителем срока работы.
Преимущества и недостатки светодиодных ламп
Преимущества многочисленны и существенны.
Светоотдача ещё больше, чем у люминесцентных ламп, и несравненно больше, чем у ламп накаливания. Она не менее 50 лм/Вт, а может достигать и 120 лм/Вт. Светодиоды позволяют в 6–10 раз сократить потребление электроэнергии на освещение, если сравнивать их с лампами накаливания.
В отличие от люминесцентных, это экологичные источники света, не наносящие ущерба окружающей среде и не требующие расходов на утилизацию (как и лампы накаливания).
Они очень долговечны, причём число включений-выключений не влияет на срок службы. Но всё же не забывайте, что характеристики излучения изменяются по мере эксплуатации: световой поток уменьшается (как и у других типов ламп), цветовая температура растёт (как и у люминесцентных ламп), да ещё могут появиться пульсации.
Как и лампы накаливания, led-лампы включаются сразу на полную яркость (в отличие от КЛЛ).
Они влагостойки и нечувствительны к низким температурам (в отличие от КЛЛ), хотя высокие температуры светодиодам вредны. По умолчанию, рабочий диапазон температур от – 30 до +60 °C.
Как и КЛЛ, светодиодные лампы менее пожароопасны, чем лампы накаливания, так как меньше нагреваются в процессе работы.
Есть и минусы.
Возможно неблагоприятное воздействие на хрусталик и сетчатку глаза из-за высокой интенсивности синей составляющей света, причём по мере использования лампы это воздействие усиливается вследствие деградации люминофора.
Надёжность электронных компонент драйвера может заметно уступать надёжности самих светодиодов, о чём производитель нас не предупреждает.
Главная же опасность – это наличие на рынке множества низкосортных дешёвых и не очень дешёвых ламп, несущих угрозу здоровью. Увы, реальные характеристики ламп зачастую не соответствуют тем, что указаны на упаковке: световой поток может быть существенно меньше, индекс цветопередачи ниже, а пульсации, несмотря на обещание их полного отсутствия, достигать 100 %. И это касается не только дешёвой китайской продукции, но и продукции некоторых российских производителей.
Как бы там ни было, светодиоды продолжают активно завоёвывать мир. По мере развития технологий цены на эти лампы быстро снижаются и уже вполне радуют покупателя. Безусловно, светодиодным источникам света принадлежит ближайшее будущее.
За пять лет, с 2016 по 2020, продажи led-ламп выросли в 2,2 раза и составили более половины полного количества проданных в 2020 году ламп.
Немного о мониторах
Вот уже несколько десятилетий нам светят не только лампы, но и мониторы компьютеров. Мы сейчас не будем говорить о старых громоздких мониторах на основе электронно-лучевых трубок, а только о современных жидкокристаллических.
Качество картинки на ЖК-мониторе компьютера или ноутбука во многом зависит от тыловой подсветки монитора. А для подсветки используют либо люминесцентные лампы, либо белые светодиоды. В обоих случаях повышена интенсивность коротковолновой синей части спектра свечения, а в случае люминесцентной подсветки ещё и ультрафиолет присутствует. Дело усугубляется тем, что мы часами смотрим прямо в монитор, ничем не защищая глаза. А потом чувствуем их усталость, сухость и ощущение «песка в глазах», потерю чёткости изображения. Хуже того, воздействие синего света может привести к образованию катаракты или макулярной дегенерации сетчатки. Неслучайно число этих заболеваний последние годы возросло.
Для тех, кто много работает за компьютером, разработаны очки со специальным покрытием, отражающим сине-фиолетовую часть излучения экрана и немного снижающим его яркость.
Пульсации излучения подсветки тоже вносят свой негативный вклад. Коэффициент пульсации особенно возрастает при понижении яркости экрана. При этом лампа подсветки начинает светить с перерывами, то есть мерцать – так технологически проще и дешевле (это называется ШИМ – широтно-импульсная модуляция). К счастью, есть и мониторы без ШИМ: в них уменьшение яркости подсветки достигается уменьшением яркости свечения самой лампы. У таких мониторов иногда в описании есть надпись «Flicker-Free» (без мерцания).
Подводя итоги
Теперь, когда мы обсудили преимущества и недостатки доступных источников света, подумаем, как лучше организовать оптимальное освещение в своём доме. Главный принцип, на который мы должны опираться при этом, – не навреди. А самое опасное для зрения, особенно детского, – это когда много синего света и ультрафиолета.
Значит, первым делом проверяем, не остались ли в квартире старые люминесцентные лампы. Может, в ванной комнате, где мы обычно проводим полчаса перед сном? Нам ни к чему лишать себя гормона сна мелатонина из-за присутствующих в свете старых ламп синей и ультрафиолетовой составляющих. К тому же они наверняка сильно пульсируют из-за преклонного возраста.
Безусловно, самое безопасное для глаз решение – использовать в жилых комнатах старые добрые лампы накаливания (лучше максимально доступной мощности, а также галогенные). О цветопередаче тогда можно не беспокоиться, она практически идеальна, да и пульсации не опасны. Если это решение неприемлемо (например, из-за соображений экономии, а для жителей Европы и Америки оно просто недоступно), то покупаем лучшие светодиодные лампы тёплого света (с цветовой температурой не выше 3000 К) и каждую проверяем на пульсации с помощью камеры смартфона ещё в магазине. Надписям на упаковках доверять не стоит. И регулярно совершаем ревизию горящих в квартире ламп со смартфоном в руках. Свет пульсирует – зрение перенапрягается, глаза быстро устают, и нервная система расшатывается. Поскорее избавляемся от пульсирующих ламп, не экономим. И помним, что диммеры усиливают пульсации. Для ослабления света лучше выключим часть ламп. И не забываем, что утро надо начинать с минимальной освещённости.
Обратим также внимание на конструкцию светильников: они не должны слепить глаза. Лучше, если свет направляется на белый потолок, рассеиваясь, и равномерно освещает комнату. Неприемлемый вариант – яркие точечные светильники. Смотреть на яркий источник света – это прямой путь к разрушению зрения, особенно детского. А сколько раз приходилось наблюдать картину в магазине: малыш лежит в коляске и таращит глаза на точечные светодиодные светильники на потолке. Родители, будьте бдительны!
Отдельная забота – организация освещения рабочего стола. Светодиодные лампы, как уже говорилось, должны быть удалены от головы минимум на 30 см. Опять-таки самый безопасный вариант – лампа накаливания.
Итак, после всего сказанного в данной части книги мы убедились, что свет Солнца – видимый, ультрафиолетовый и инфракрасный – активно воздействует на нас и совершенно необходим не только для зрения, но и для регуляции биологических ритмов. И пока что никакие искусственные источники света не могут полностью его заменить. Но наука продолжает развиваться, учёные пытаются не только совершенствовать светодиодное освещение, но и создать иные типы ламп, работающие на других физических принципах. Будем ждать и надеяться.