Как изменить спектр света лампы

Освещение растений белыми светодиодами

Интенсивность фотосинтеза под красным светом максимальна, но под одним только красным растения гибнут либо их развитие нарушается. Например, корейские исследователи [1] показали, что при освещении чистым красным масса выращенного салата больше, чем при освещении сочетанием красного и синего, но в листьях значимо меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. А биофак МГУ [2] установил, что в листьях китайской капусты под узкополосным красным и синим светом (по сравнению с освещением натриевой лампой) снижается синтез сахаров, угнетается рост и не происходит цветения.

Рис. 1 Леанна Гарфилд, Tech Insider — Aerofarms

Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

В чем оценивать энергетическую эффективность светильника?

Основные метрики оценки энергетической эффективности фитосвета:

• Photosynthetic Photon Flux (PPF), в микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов света в диапазоне 400–700 нм, которые излучил светильник, потребивший 1 Дж электроэнергии.
• Yield Photon Flux (YPF), в эффективных микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов на 1 Дж электроэнергии, с учетом множителя — кривой McCree.

PPF всегда получается немного выше, чем YPF (кривая McCree нормирована на единицу и в большей части диапазона меньше единицы), поэтому первую метрику выгодно использовать продавцам светильников. Вторую метрику выгоднее использовать покупателям, так как она более адекватно оценивает энергетическую эффективность.

Эффективность ДНаТ

Крупные агрохозяйства с огромным опытом, считающие деньги, до сих пор используют натриевые светильники. Да, они охотно соглашаются повесить над опытными грядками предоставляемые им светодиодные светильники, но не согласны за них платить.

Из рис. 2 видно, что эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF для натриевого светильника 600–1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Натриевые светильники 70–150 Вт имеют в полтора раза меньшую эффективность.

Рис. 2. Типичный спектр натриевой лампы для растений (слева). Эффективность в люменах на ватт и в эффективных микромолях серийных натриевых светильников для теплиц марок Cavita, E-Papillon, «Галад» и «Рефлакс» (справа)

Любой светодиодный светильник, имеющий эффективность 1,5 эфф. мкмоль/Вт и приемлемую цену, можно считать достойной заменой натриевого светильника.

Сомнительная эффективность красно-синих фитосветильников

В этой статье не приводим спектров поглощения хлорофилла потому, что ссылаться на них в обсуждении использования светового потока живым растением некорректно. Хлорофилл invitro, выделенный и очищенный, действительно поглощает только красный и синий свет. В живой клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу. Энергетическая эффективность света в листе определяется кривой «McCree 1972» (рис. 3).

Рис. 3. V(λ) — кривая видности для человека; RQE — относительная квантовая эффективность для растения (McCree 1972); σ_r и σ_fr — кривые поглощения фитохромом красного и дальнего красного света; B(λ) — фототропическая эффективность синего света [3]

Отметим: максимальная эффективность в красном диапазоне раза в полтора выше, чем минимальная — в зеленом. А если усреднить эффективность по сколько-нибудь широкой полосе, разница станет еще менее заметной. На практике перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда, наоборот, усиливает. Зеленый свет проходит через толщу листьев на нижние ярусы, эффективная листовая площадь растения резко увеличивается, и урожайность, например, салата повышается [2].

Освещение растений белыми светодиодами

Энергетическая целесообразность освещения растений распространенными светодиодными светильниками белого света исследована в работе [3].

Характерная форма спектра белого светодиода определяется:

• балансом коротких и длинных волн, коррелирующим с цветовой температурой (рис. 4, слева);
• степенью заполненности спектра, коррелирующей с цветопередачей (рис. 4, справа).

Рис. 4. Спектры белого светодиодного света с одной цветопередачей, но разной цветовой температурой КЦТ (слева) и с одной цветовой температурой и разной цветопередачей R _a (справа)

Различия в спектре белых диодов с одной цветопередачей и одной цветовой температуры едва уловимы. Следовательно, мы можем оценивать спектрозависимые параметры всего лишь по цветовой температуре, цветопередаче и световой эффективности — параметрам, которые написаны у обычного светильника белого света на этикетке.

Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов следующие:

1. В спектре всех белых светодиодов даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, крайне мало дальнего красного (рис. 5).

Рис. 5. Спектр белого светодиодного (LED 4000K R _a = 90) и натриевого света (HPS) в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B), красному (A_r) и дальнему красному свету (A_fr)

В естественных условиях затененное пологом чужой листвы растение получает больше дальнего красного, чем ближнего, что у светолюбивых растений запускает «синдром избегания тени» — растение тянется вверх. Помидорам, например, на этапе роста (не рассады!) дальний красный необходим, чтобы вытянуться, увеличить рост и общую занимаемую площадь, а следовательно, и урожай в дальнейшем.

Соответственно, под белыми светодиодами и под натриевым светом растение чувствует себя как под открытым солнцем и вверх не тянется.

2. Синий свет нужен для реакции «слежение за солнцем» (рис. 6).

Рис. 6. Фототропизм — разворот листьев и цветов, вытягивание стеблей на синюю компоненту белого света (иллюстрация из «Википедии»)

В одном ватте потока белого светодиодного света 2700 К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если нужно, например, декоративные цветы развернуть в сторону людей, их следует подсветить с этой стороны интенсивным холодным светом, и растения развернутся.

3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5 % может быть определена по формуле:

где — световая отдача в лм/Вт, — общий индекс цветопередачи, — коррелированная цветовая температура в градусах Кельвина.

Примеры использования этой формулы:

А. Оценим для основных значений параметров белого света, какова должна быть освещенность, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить, например, 300 эфф. мкмоль/с/м2:

Видно, что применение теплого белого света высокой цветопередачи позволяет использовать несколько меньшие освещенности. Но если учесть, что световая отдача светодиодов теплого света с высокой цветопередачей несколько ниже, становится понятно, что подбором цветовой температуры и цветопередачи нельзя энергетически значимо выиграть или проиграть. Можно лишь скорректировать долю фитоактивного синего или красного света.

Б. Оценим применимость типичного светодиодного светильника общего назначения для выращивания микрозелени.

Пусть светильник размером 0,6 × 0,6 м потребляет 35 Вт, имеет цветовую температуру 4000 К, цветопередачу Ra = 80 и световую отдачу 120 лм/Вт. Тогда его эффективность составит YPF = (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) эфф. мкмоль/Дж = 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Что при умножении на потребляемые 35 Вт составит 52,5 эфф. мкмоль/с.

Если такой светильник опустить достаточно низко над грядкой микрозелени площадью 0,6 × 0,6 м = 0,36 м² и тем самым избежать потерь света в стороны, плотность освещения составит 52,5 эфф. мкмоль/с / 0,36м² = 145 эфф. мкмоль/с/м². Это примерно вдвое меньше обычно рекомендуемых значений. Следовательно, мощность светильника необходимо также увеличить вдвое.

Прямое сравнение фитопараметров светильников разных типов

Сравним фитопараметры обычного офисного потолочного светодиодного светильника, произведенного в 2016 году, со специализированными фитосветильниками (рис. 7).

Рис. 7. Сравнительные параметры типичного натриевого светильника 600Вт для теплиц, специализированного светодиодного фитосветильника и светильника для общего освещения помещений

Видно, что обычный светильник общего освещения со снятым рассеивателем при освещении растений по энергетической эффективности не уступает специализированной натриевой лампе. Видно также, что фитосветильник красно-синего света (производитель намеренно не назван) сделан на более низком технологическом уровне, раз его полный КПД (отношение мощности светового потока в ваттах к мощности, потребляемой из сети) уступает КПД офисного светильника. Но если бы КПД красно-синего и белого светильников были одинаковы, то фитопараметры тоже были бы примерно одинаковы!

Также по спектрам видно, что красно-синий фитосветильник не узкополосен, его красный горб широк и содержит гораздо больше дальнего красного, чем у белого светодиодного и натриевого светильника. В тех случаях, когда дальний красный необходим, использование такого светильника как единственного или в комбинации с другими вариантами может быть целесообразно.

Оценка энергетической эффективности осветительной системы в целом:

Автор использует ручной спектрометр UPRtek 350N (рис. 8), предоставленный компанией «Интех инжиниринг».

Рис. 8. Аудит системы фитоосвещения

Следующая модель UPRtek — спектрометр PG100N по заявлению производителя измеряет микромоли на квадратный метр, и, что важнее, световой поток в ваттах на квадратный метр.

Измерять световой поток в ваттах — превосходная функция! Если умножить освещаемую площадь на плотность светового потока в ваттах и сравнить с потреблением светильника, станет ясен энергетический КПД осветительной системы. А это единственный на сегодня бесспорный критерий эффективности, на практике для разных осветительных систем различающийся на порядок (а не в разы или тем более на проценты, как меняется энергетический эффект при изменении формы спектра).

Примеры использования белого света

Описаны примеры освещения гидропонных ферм и красно-синим, и белым светом (рис. 9).

Рис. 9. Слева направо и сверху вниз фермы: Fujitsu, Sharp, Toshiba, ферма по выращиванию лекарственных растений в Южной Калифорнии

Достаточно известна система ферм Aerofarms (рис. 1, 10), самая большая из которых построена рядом с Нью-Йорком. Под белыми светодиодными лампами в Aerofarms выращивают более 250 видов зелени, снимая свыше двадцати урожаев в год.

Рис. 10. Ферма Aerofarms в Нью-Джерси («Штат садов») на границе с Нью-Йорком

Прямые эксперименты по сравнению белого и красно-синего светодиодного освещения
Опубликованных результатов прямых экспериментов по сравнению растений, выращенных под белыми и красно-синими светодиодами, крайне мало. Например, мельком такой результат показала МСХА им. Тимирязева (рис. 11).

Рис. 11. В каждой паре растение слева выращено под белыми светодиодами, справа — под красно-синими (из презентации И. Г. Тараканова, кафедра физиологии растений МСХА им. Тимирязева)

Пекинский университет авиации и космонавтики в 2014 году опубликовал результаты большого исследования пшеницы, выращенной под светодиодами разных типов [4]. Китайские исследователи сделали вывод, что целесообразно использовать смесь белого и красного света. Но если посмотреть на цифровые данные из статьи (рис. 12), замечаешь, что разница параметров при разных типах освещения отнюдь не радикальна.

Рис 12. Значения исследуемых факторов в двух фазах роста пшеницы под красными, красно-синими, красно-белыми и белыми светодиодами

Однако основным направлением исследований сегодня является исправление недостатков узкополосного красно-синего освещения добавлением белого света. Например, японские исследователи [5, 6] выявили увеличение массы и питательной ценности салата и томатов при добавлении к красному свету белого. На практике это означает, что, если эстетическая привлекательность растения во время роста неважна, отказываться от уже купленных узкополосных красно-синих светильников необязательно, светильники белого света можно использовать дополнительно.

Влияние качества света на результат

Фундаментальный закон экологии «бочка Либиха» (рис. 13) гласит: развитие ограничивает фактор, сильнее других отклоняющийся от нормы. Например, если в полном объеме обеспечены вода, минеральные вещества и СО ₂, но интенсивность освещения составляет 30 % от оптимального значения — растение даст не более 30 % максимально возможного урожая.

Рис. 13. Иллюстрация принципа ограничивающего фактора из обучающего ролика на YouTube

Реакция растения на свет: интенсивность газообмена, потребления питательных веществ из раствора и процессов синтеза — определяется лабораторным путем. Отклики характеризуют не только фотосинтез, но и процессы роста, цветения, синтеза необходимых для вкуса и аромата веществ.

На рис. 14 показана реакция растения на изменение длины волны освещения. Измерялась интенсивность потребления натрия и фосфора из питательного раствора мятой, земляникой и салатом. Пики на таких графиках — признаки стимулирования конкретной химической реакции. По графикам видно что исключить из полного спектра ради экономии какие-то диапазоны, — все равно что удалить часть клавиш рояля и играть мелодию на оставшихся.

Рис. 14. Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом (данные предоставлены компанией Фитэкс)

Принцип ограничивающего фактора можно распространить на отдельные спектральные составляющие — для полноценного результата в любом случае нужен полный спектр. Изъятие из полного спектра некоторых диапазонов не ведет к значимому росту энергетической эффективности, но может сработать «бочка Либиха» — и результат окажется отрицательным.
Примеры демонстрируют, что обычный белый светодиодный свет и специализированный «красно-синий фитосвет» при освещении растений обладают примерно одинаковой энергетической эффективностью. Но широкополосный белый комплексно удовлетворяет потребности растения, выражающиеся не только в стимуляции фотосинтеза.

Убирать из сплошного спектра зеленый, чтобы свет из белого превратился в фиолетовый, — маркетинговый ход для покупателей, которые хотят «специального решения», но не выступают квалифицированными заказчиками.

Корректировка белого света

Наиболее распространенные белые светодиоды общего назначения имеют невысокую цветопередачу Ra = 80, что обусловлено нехваткой в первую очередь красного цвета (рис. 4).

Недостаток красного в спектре можно восполнить, добавив в светильник красные светодиоды. Такое решение продвигает, например, CREE. Логика «бочки Либиха» подсказывает, что такая добавка не повредит, если это действительно добавка, а не перераспределение энергии из других диапазонов в пользу красного.

Интересную и важную работу проделал в 2013–2016 годах ИМБП РАН [7, 8, 9]: там исследовали, как влияет на развитие китайской капусты добавление к свету белых светодиодов 4000 К / Ra = 70 света узкополосных красных светодиодов 660 нм.

И выяснили следующее:

• Под светодиодным светом капуста растет примерно так же, как под натриевым, но в ней больше хлорофилла (листья зеленее).
• Cухая масса урожая почти пропорциональна общему количеству света в молях, полученному растением. Больше света — больше капусты.
• Концентрация витамина С в капусте незначительно повышается с ростом освещенности, но значимо увеличивается с добавлением к белому свету красного.
• Значимое увеличение доли красной составляющей в спектре существенно повысило концентрацию нитратов в биомассе. Пришлось оптимизировать питательный раствор и вводить часть азота в аммонийной форме, чтобы не выйти за ПДК по нитратам. А вот на чисто-белом свету можно было работать только с нитратной формой.
• При этом увеличение доли красного в общем световом потоке почти не влияет на массу урожая. То есть восполнение недостающих спектральных компонент влияет не на количество урожая, а на его качество.
• Более высокая эффективность в молях на ватт красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому эффективно еще и энергетически.

Таким образом, добавление красного к белому целесообразно в частном случае китайской капусты и вполне возможно в общем случае. Конечно, при биохимическом контроле и правильном подборе удобрений для конкретной культуры.

Варианты обогащения спектра красным светом

Растение не знает, откуда к нему прилетел квант из спектра белого света, а откуда — «красный» квант. Нет необходимости делать специальный спектр в одном светодиоде. И нет необходимости светить красным и белым светом из одного какого-то специального фитосветильника. Достаточно использовать белый свет общего назначения и отдельным светильником красного света освещать растение дополнительно. А когда рядом с растением находится человек, красный светильник можно по датчику движения выключать, чтобы растение выглядело зеленым и симпатичным.

Но оправданно и обратное решение — подобрав состав люминофора, расширить спектр свечения белого светодиода в сторону длинных волн, сбалансировав его так, чтобы свет остался белым. И получится белый свет экстравысокой цветопередачи, пригодный как для растений, так и для человека.

Открытые вопросы

Можно выявлять роль соотношения дальнего и ближнего красного света и целесообразность использования «синдрома избегания тени» для разных культур. Можно спорить, на какие участки при анализе целесообразно разбивать шкалу длин волн.

Можно обсуждать — нужны ли растению для стимуляции или регуляторной функции длины волн короче 400 нм или длиннее 700 нм. Например, есть частное сообщение, что ультрафиолет значимо влияет на потребительские качества растений. В числе прочего краснолистные сорта салата выращивают без ультрафиолета, и они растут зелеными, но перед продажей облучают ультрафиолетом, они краснеют и отправляются на прилавок. И корректно ли новая метрика PBAR (plant biologically active radiation), описанная в стандарте ANSI/ASABE S640, Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms, предписывает учитывать диапазон 280–800нм.

Заключение

Сетевые магазины выбирают более лежкие сорта, а затем покупатель голосует рублем за более яркие плоды. И почти никто не выбирает вкус и аромат. Но как только мы станем богаче и начнем требовать большего, наука мгновенно даст нужные сорта и рецепты питательного раствора.

А чтобы растение синтезировало все, что для вкуса и аромата нужно, потребуется освещение со спектром, содержащим все длины волн, на которые растение прореагирует, т. е. в общем случае сплошной спектр. Возможно, базовым решением будет белый свет высокой цветопередачи.

Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в подготовке статьи сотруднику ГНЦ РФ-ИМБП РАН к. б. н. Ирине Коноваловой; руководителю проекта «Фитэкс» Татьяне Тришиной; специалисту компании CREE Михаилу Червинскому

Примечание1: Этот пост является переводом статьи White LED Lighting for Plants.

Примечание2: Следующая статья цикла: Оценить PPFD при освещении растения белыми светодиодами просто: 1000 лк = 15 мкмоль/с/м2

Все о светодиодах
Ликбез о питании светодиодов, схемы включения
Электронный балласт для светодиодной лампы
Стабилизатор тока светодиода
Корпуса светодиодов
Надежность белых светодиодов
Эффективное использование светодиодов. Советы конструктору.

Светодиодные (или LED-) лампы – это, конечно, замечательно: и современно, и экономно, и «линии партии» соответствует. Но очень уж дорого! А главное – нет уверенности (поверьте, её нет и у специалистов!), что они такие уж вечные и полезные для глаз. Единственное, о чем можно сказать точно – это их экологическая чистота в сравнении с «энергосберегающими». И тут еще один интересный момент.

По большому счету, наличие битого стекла и паров ртути там, где вы живёте, зависит как раз не от того, какими лампами вы сами пользуетесь (свою-то в мусорку бросите, да ещё и не ближайшую!), а от окружающих, которые принесут в вашу (а милые детишки расхлопают прямо под дверью). Поэтому, если даже не можете сделать сами, не хотите заказывать умельцам, то хотя бы делитесь ссылкой: чем больше людей откроет для себя ПРАВИЛЬНЫЕ лампочки, тем здоровее будете и вы!

Идея выложить этот текст на всеобщее обозрение возникла после того, как один знакомый пожаловался, как он «кожей спины» ощущает вред энергосберегающих (они же – КЛЛ – компактные люминесцентные лампы), и спросил, советую ли тратиться на светодиодные. Вот, как говорится, «папы этого ответ помещаю в книжке».

Главный совет — не доверять статьям (типа моих), какими бы научными и объективными они ни казались! Всё равно ведь задача продать. Ну, разве что — в википедии… Да и то — видел же заказы на статьи в вики: значит — со скрытой рекламой чего-то!

КЛЛ пугают правильно. Вреднее, разве что — ДРЛ или ДНАТ! (К счастью, хоть их в жилых помещениях никто не использует). И основные факторы — не ВЧ-облучение или ультрафиолет (они сказываются, только если буквально на голове лампочка — настольная или бра над самой книжкой), а пульсации светового потока и плохой индекс цветопередачи.

То, что неестественный спектр неприятен и вреден, думаю, объяснять не надо. Пульсации же светового потока мешают не только фотографированию или рассматриванию быстро движущихся предметов (видели, как снежинки «пунктиром» летят под ртутным фонарём), вызывая стробоскопический эффект, но и крайне негативно сказываются на зрении. Глаз пытается аккомодироваться, но с такой частотой, разумеется, не успевает. Происходит переутомление мышц радужной оболочки и выгорание сетчатки, которую она не успевает диафрагмировать во время пиков яркости, перегрузка аварийными импульсами зрительного нерва. (Не следует путать «нормальные» пульсации промышленно частоты с видимыми мерцаниями ламп дневного света, срок службы которых подходит к концу: видимые как раз не так вредны для глаз и нервной системы).

Пульсаций может не быть и в энергосберегающих лампах, если ХОРОШИЕ. А могут быть и в светодиодных. Более того, на прилавках сейчас в основном светодиодные лампы самой низкой ценовой категории (нужно же как-то конкурировать с КЛЛ), да и сам принцип запитки диодов позволяет сэкономить на электронной схеме. Так что шансов «попасть на пульсации» очень много. Тут и авторитет производителя не поможет, нужно только проверять осциллографом. А цветопередача в светодиодных лампочках тоже неважнецкая. Даже те, что смешением красного, зеленого и синего создают «белый», не сравнятся с накальными источниками, не говоря уж про галогеночки: вроде и похоже, но спектр очень узкополосный. А те, что действительно эффективнее энергосберегающих по световой отдаче (более 100 Лм/Вт), вообще на двухцветной системе: голубой + оранжевый. Тоже кажется белым, но это уж совсем пародия!

Вывод: если важен не эстетический эффект, а жалко глаза свои, любимые, и денежку, то нужно, чтоб какой-то умелец или мастерская сделали по спецзаказу — из кучи РАЗНЫХ светодиодов (чтоб хотя бы десяток полос в спектре был) и с АНАЛОГОВЫМ стабилизатором тока (без пульсаций и ВЧ).

Именно такие использую для себя. А про деньги – в том смысле, что проблемы вредности полностью решают высокотемпературные галогенки, но цена… Даже их начальное устройство (по-настоящему, с постоянным током) обойдётся не дешевле светодиодных, а уж дальнейшая эксплуатация – НА ПОРЯДОК дороже выльется!

Далее будет описан способ и схемное решение, по которому любой телемастер, ремонтник телефонов, компьютеров или даже ЖЕКовский электрик – любой, кто в руках паяльник держать умеет, элементарные схемы читать и закон Ома применять – сделает светодиодную лампу ЛУЧШЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ, причем недорого. Можно еще (при наличии предпринимательских способностей) сыграть на том, что этот мастер взамен получает «ноу-хау» и сможет потом промышлять действительно безвредными, экономными и вечными лампами. Может, первую и бесплатно сделает…

Для начала (и для выбора диодов, и для окончательной приёмки ламп) нужен спектроскоп. Самый примитивный. Спектроскоп — это несложное оптическое устройство, содержащее призму для разложения света. Можно опять же самодельный собрать, купить по дешевке у каких-нибудь старьёвщиков или одолжить в кабинете физики. Даже если до изготовления ламп и не дойдёт, всё равно будет возможность узнать массу интересного – чем мы глаза портим.

Можно также исследовать пульсации осциллографом с фотодиодом, но уже только из научного интереса к другим источникам света. Для контроля наших ламп он не потребуется, так как их схема исключает пульсации в принципе. А вот обучать работе с осциллографом… Это не спектроскоп, в который заглянуть – и всё видно… Но можно и без спектроскопа обойтись: просто купить светодиоды РАЗНЫХ марок.

Кстати! Можно и без прибора пульсации посмотреть. Так же, как работоспособность невидимого цвета – инфракрасных и ультрафиолетовых – диодов проверяют, глядя на них через камеру, точно так любой мобильник с фотоаппаратом покажет пульсации в 100 Гц (в сети 50 Гц, но, поскольку работает и положительный, и отрицательный полупериод, частота удваивается). Для проверки достаточно навести камеру на обычную лампу дневного света – «трубку», растровый светильник на потолке с расстояния 0,5м или ближе. Там пульсации бешеные – процентов 50 – сразу (вернее – через пару секунд, когда аппарат установит яркость) видно на дисплее горизонтальные полосы. Чем они отчетливее, тем хуже. На лампах накаливания большой мощности – почти не заметны: достаточно массивный волосок не успевает остыть/нагреться 100 раз в секунду.

На рисунках – маломощная лампа дневного света (полосы слабые, поскольку электронная схема питания, как в КЛЛ) и красивый трёхцветный китайский ночник (светодиодный, но ВООБЩЕ без сглаживания пульсаций).

Если полосы совсем не удаётся заметить, источник света очень хороший. Например – галогеночки, запитанные постоянным током. Не просто выпрямленным, а стабилизированным. Но такое почти не используют: очень уж не экономно. Не заметить пульсаций можно и в КЛЛ или LED-лампах хорошего производителя. Но наш «детектор» просто не показывает высокочастотных гармоник, которыми богат любой источник с импульсным питанием. Мы же будем делать аналоговый.

Теперь немного подробнее о спектрах. Они очень разные у различных источников света. Тепловые (планковские) излучатели имеют сплошные широкодиапазонные спектры с распределением излучаемой энергии по частоте в соответствии с формулой Планка и неярко выраженным максимумом на длине волны, зависимость которой от температуры определяется законом Вина. Это происходит благодаря тепловому движению молекул с огромным разбросом скоростей, а значит – и энергий.

Такие спектры наиболее естественны и безвредны для глаз. Но, как видно из графиков, для получения света, наиболее близкого к дневному (с максимумом на волне 555 нм), требуется и температура около 6000 К – как на поверхности Солнца! Нити же накала большинства ламп не нагреваются и до 3000 К. Значит, львиная доля излучаемой ими энергии приходится на невидимую инфракрасную область (тепло), откуда и столь низкая эффективность (КПД ламп накаливания не превышает 5%).

Солнечный спектр испещрён тысячами линий поглощения элементов, присутствующих в его атмосфере: поглощая из проходящего света кванты строго определенной энергии, они затем излучают их в произвольных направлениях (и, как правило, на более низких частотах), лишая земного наблюдателя узкой частички спектра. Например, самая отчетливая (в красной области) – линия кислорода – 759,37 нм.

У свечения газов несколько иная природа. Электромагнитные волны (в том числе и видимые – свет) излучаются не из-за хаотичного движения молекул, а ионизированными атомами при восстановлении электрона на полагающуюся ему орбиту строго определенной энергии – с испусканием соответствующего кванта. Поэтому спектры газов имеют очень узкие полосы излучения. Например, тот же кислород светился бы так:

Очень похожий спектр имеют всем известные неоновые индикаторы и трубки наружной рекламы.

Люминофор же на осветительных лампах (ДРЛ, КЛЛ, трубках «дневного света») имеет полосы более размытые (поскольку люминофор излучает уже как твёрдое тело) и точнее отвечающие дневному, но всё равно достаточно узкие. Спектр получается рваным и не таким уж близким к солнечному.

Вот диаграммы одних их наиболее популярных сегодня люминофоров, имеющих спектр с номером (по классификации Philips) 754 и – самый качественный – 954:

Наконец, во включенном светодиоде, как и в любом кристалле под действием электрического поля, происходит штарковское расщепление возможных энергетических уровней атомов. Это приводит к излучению квантов с некоторым разбросом длины волны, размазыванию спектральных линий. В результате даже у двухцветных белых светодиодов получается не слишком игольчатая цветовая диаграмма.

Примерно такую же картинку можно наблюдать в свой спектроскоп, только без графиков (они получаются лишь при помощи приборов с высочайшей разрешающей способностью и цифровой обработкой информации). В объективе будет наблюдаться просто размытая радуга (это хорошо) или отдельные полоски на темном фоне (плохо). Вот, как выглядит спектр четырёх разных диодов. Кстати, в данном случае белый – очень неплохого качества. Если попадутся такие, можно смело покупать и комплектовать из них, по крайней мере, половину всех светодиодов нашего светильника.

Однако ясно, что наиболее близкий к сплошному спектр можно получить, смешав РАЗЛИЧНЫЕ: чтобы провалы в излучении одного источника компенсировались максимумами другого – не совпадающими по длине волны с максимумами третьего и т.д.

Солидные производители и продавцы предоставляют каталоги, в которых указаны основные параметры излучения или даже приведены спектры. В базарном же варианте поможет только спектроскоп (не обязательно ходить с ним по рынку, можно сделать пробную закупку по одному диоду, а затем спокойно исследовать их в затемнённой комнате).

Для объективного сравнения разных светодиодов (не забываем, что нас интересует не только спектр, но и световая отдача) потребуется стабилизатор тока: светодиоды (как и любые диоды) имеют почти вертикальную вольтамперную характеристику, с существенным разбросом от образца к образцу (особенно – для разных типов) и очень сильно зависящую от температуры. Поэтому при одном и том же напряжении ток может отличаться в разы. То есть не только сравнить яркости было бы невозможно, а при питании, например, около 2,5 В синий может вообще не засветиться, а красный – сгореть.

Поэтому задаём именно ток. Практически для всех маломощных светодиодов его максимально допустимое значение составляет 20 мА. Мощные бывают на 350 мА, 700 и т.д. В проверочном стабилизаторе (дабы не сжечь еще при выборе) следует сделать 2 фиксированных значения – 15 и 200 мА. Визуально маломощные светодиоды отличаются полностью пластиковым корпусом без каких-либо площадок для теплоотвода и тонкими (круглого или квадратного сечения) выводами, направленными в одну сторону.

Чтобы можно было запитать одновременно два диода (для удобства сравнения), потребуется источник не менее 9 В: компактнее, конечно, «Крона» (для мощных диодов – щелочная), но лучше – набрать батарею из 8-10 «пальчиков» или использовать 12-вольтовый аккумулятор. Конструктивно же клеммы ХТ лучше оформить в виде миниатюрных «крокодилов» носами друг к другу на расстоянии около 10 мм и ходом подвижных «челюстей» в одной плоскости. Дополнительный (пустой) зажим ХТ0 должен составлять с ними примерно равносторонний треугольник: для последовательного включения двух диодов. Можно чтобы они свободно болтались на умеренно мягких проводах длиной (между «крокодилом» и вводом в корпус устройства) буквально 1 см – чтобы не могли коснуться друг друга (впрочем, замыкания схема не боится), а при поднимании носами от корпуса расходились сантиметра на 3 (под самые мощные диоды).

Выключатель питания SA1 лучше сделать кнопкой (без фиксации): чтобы невозможно было забыть надолго включенным (даже без светодиодов происходит разряд батареи через R1). SA2 – миниатюрный тумблер и т.п. – им и будет переключаться ток 15/200мА. Транзистор VT1 – КТ3102 или любой другой маломощный «супербетта», а VT2 – КТ829 или любой мощный составной (подойдут, разумеется, и импортные аналоги). Резистор R3 можно заменить двумя параллельно соединёнными по 15 Ом, а при помощи R2 (желательно – многооборотного) устанавливают необходимое значение тока, подсоединив вместо светодиода миллиамперметр. Если получится, например, 16 и 180 мА – ничего страшного, главное, что этот ток будет одинаковым для разных испытуемых диодов. В принципе мощность R3 должна быть не менее 0,5 Вт, а транзистору VT2 должен быть обеспечен теплоотвод. Но поскольку мощные светодиоды никто, конечно, при испытаниях на радиаторы ставить не будет, продолжительность включения с большим током всё равно не может превышать нескольких секунд. За такое время элементы схемы также нагреться не успеют.

Поклонники интегральной схемотехники могут собрать аналогичное устройство на основе любых регулируемых стабилизаторов – LM317, 1083, 1084, 1117, КР142ЕН12, ЕН22 и т.п. – включив их по схеме стабилизации тока. Это сэкономит пару паек, но вряд ли будет дешевле (особенно, если применять микросхемы с низким падением напряжения «low drop» для возможности использования всё-таки одной «кроны»).

Итак, вооружившись стабилизатором, приступаем к выбору. (Повторяю: можно обойтись и без этого, если доверяете продавцам, имеете подробные каталоги или просто не стремитесь к слишком качественному результату).

Сначала проводим предварительный отбор на основании каталога или слов продавца: отсеиваем те, что не подойдут точно. Оставшихся же кандидатов ставим парами в наш стабилизатор и визуально определяем, какие создают больший световой поток. Не путайте с яркостью (какие сильнее режут глаза прямой наводкой) и светосилой (потоком в единице телесного угла). Если направить луч, например, на лист бумаги и рассматривать световое пятно на разном расстоянии, видно, что у диодов бывает различный угол расхождения луча, а также четкость границы этого пятна. Разумеется, узко и четко сфокусированные субъективно кажутся ярче, но это не значит, что они дают БОЛЬШЕ СВЕТА. Объективно оценить именно световой поток можно, например, измеряя освещенность в затемнённой комнате, когда на потолок в ней направляются различные диоды (естественно, из нашего стабилизатора, с одинакового расстояния, под одним и тем же углом и т.д.) – вот тут будет сказываться не направленность, светосила, яркость, а только СВЕТОВАЯ ОТДАЧА, то есть КПД.

Разумеется, можно учитывать соотношение цена/качество. Если, скажем, диод даёт едва заметно большее количество света, а стоит при этом в 10 раз дороже… Хотя это может еще свидетельствовать о более серьёзном производителе, а значит – большем сроке службы, стабильности параметров и т.д.

Лишь определившись с наиболее эффективными, из них уже стоит выбирать по спектру. Заметим, что могут понадобиться не только белые. Но к этому вопросу вернёмся уже при конструировании конкретного светильника. Другими словами, прежде, чем бежать за диодами, дочитайте всё-таки статью: возможно, остановите выбор сразу на более сложном варианте.

И вот – собственно изготовление.

Сразу оговорюсь, что рецепт изготовления рассчитан на человека, имеющего элементарные знания в электротехнике. Если вы, читающий и этими знаниями не обладающий, а собирающийся заказывать изготовление специалисту, встретите незнакомый термин – не волнуйтесь, любой электрик поймёт. И второе: это рецепт ТЕХНИЧЕСКИЙ, за эстетикой – не ко мне.

Можно, конечно, продумать дизайн или скопировать какой-то фирменный светодиодный светильник, заказать токарю некие блюдца алюминиевые, покрывать их хромом, золотом… Это уж дело хозяйское, электрическая схема от этого не меняется (только возникнут дополнительные проблемы с изолированием, если всё будет металлическим). Я же опишу, как сделать на основе китайского светодиодного фонарика – очень дёшево и хоть с каким-то внешним видом (всё-таки не картонная коробка, а какой-никакой промышленный корпус и с готовым отражателем).

Более того: фонарик можно использовать негодный. Те, кто, как мы уже договорились, умеет держать паяльник, нередко сами располагают подобным хламом или знают, у кого спросить. У 90% таких фонариков выходит из строя аккумулятор (от неправильного заряда или просто от старости). А если даже и какой из диодов сгорел, так нам и они не нужны (во всяком случае – не все).

Итак, разбираем фонарик. Выбрасываем аккумулятор (если негодный) и элементы зарядного устройства. Очевидно, не пригодится и вилка: подсоединяться будем либо просто гибкими проводами, либо можно потом будет попытаться приклеить (вплавить) цоколь от лампочки.

Если не нужен остро направленный луч (для местного освещения, но с большого расстояния), то выбрасываем и отражатель, а вместо него наденем на светодиоды просто кружок белого картона с отверстиями, размеченными через отверстия в отражателе. Но с этой операцией не торопимся: вряд ли количество и расположение диодов не изменится.

Сбоку от диодов пластик корпуса (особенно – черный) тоже желательно прикрыть белой полоской без всякого клея – достаточно упругости бумаги, стремящейся распрямиться. Не нужно брать другие материалы: обычная глянцевая бумага меньше боится нагрева, чем любой пластик, и дольше не выгорает (не желтеет) на свету. А влаги в светильнике у нас не должно быть в принципе (в конце статьи коснёмся уличных и подводных).

Выключатель, скорее всего, также не пригодится: светильник всё-таки обычно включается в более удобном месте, чем на самой лампочке. Но можно и оставить, если эта лампа будет висеть без абажура где-то низко – дело хозяйское. Не следует только забывать, что выключатели в дешевых фонариках обычно очень примитивны, ненадёжны и вообще не рассчитаны на 220 В. Однако в любом случае не стоит его удалять (разве что – откусить выводы для экономии места в корпусе), иначе придётся чем-то закрывать лишнее отверстие.

Теперь – самое, пожалуй, главное: определимся с количеством светодиодов, которые будем использовать. Это зависит от того, для чего мы хотим применять лампу, а также от того, сколько их уже есть в фонарике. Скажем, если хочется сделать достаточно мощную лампу для основной люстры в комнате, потребуется несколько мощных излучателей (возможно – в комбинации с маломощными), о чем речь пойдёт в конце. Скорее всего, фонарик тогда вообще не пригодится.

Если же требуется лишь местное освещение (с чего и советую начать), вполне достаточно одного – двух десятков маломощных. Такое количество может сразу быть в фонарике (не обязательно же он всего на 5 диодов, как наш разобранный). Часть мы всё равно будем заменять, но в любом случае намного проще, когда уже есть готовые отверстия и луженые печатные проводники для монтажа. В наш же точно придётся добавлять. Даже если нужна совсем небольшая мощность (для ночника или, например, подсветки клавиатуры), то хотя бы ради выравнивания спектра нужно (как отмечалось выше) большее количество РАЗНЫХ источников. В частности, в наш 5-диодный я бы советовал добавить три зелёных, пару красных (по кругу между белыми) и один белый с очень хорошей отдачей (но тоже 20-миллиамперный) другого производителя – по центру. Размещать, естественно, надо равномерно, чередуя цвета, чтоб даже на близком расстоянии (пока лучи от каждого диода не успели сильно разойтись и смешаться) всё равно получалось бы ровное – без цветных пятен – освещение. Это касается и многодиодных фонарей, и полностью самодельных светильников, которых коснёмся ниже.

Кстати, перепаивать и резать печатный монтаж (даже если оставить только родные излучатели) нам всё равно придётся: в большинстве фонариков диоды соединены параллельно (или в несколько параллельных групп) – для удобства низковольтного питания без преобразователей. Мы же должны включить их последовательно: ведь боремся за меньший потребляемый ток, а напряжение лишнее всё равно еще придётся гасить балластом (хоть и реактивным). Кроме того, равенства токов через диоды (вспомним их вертикальные характеристики) при параллельном соединении можно достичь только на абсолютно идентичных образцах (одного производителя, марки и даже партии). Разные же можно включать только последовательно.

Тут подходим к важному моменту: светодиоды очень боятся нагрева. Благополучно паять их без специального оборудования весьма непросто. Еще сложнее выпаять старый или подсоединиться к той же заводской пайке: там может быть довольно-таки тугоплавкий бессвинцовый припой, да и сами диоды китайцы впаивают (вопреки ТУ на них и всем правилам монтажа) по «самые уши» – значительно ближе к корпусу, чем это допустимо, и без малейшего зазора для теплоотвода. На конвейере, где пайка занимает меньше секунды, они сгореть не успевают. При работе же обычным паяльником (с длительностью пайки 2-3 секунды) обязательно оставлять зазор хотя бы 3 мм для отвода тепла пинцетом.

Исходя из всего этого, ясно, что лучше лишний раз перерезать монтаж и залудить площадку для новой пайки, чем трогать старую. В частности, в нашем «пятизвёздочном» фонаре диоды впаивались между концентрическими проводниками. Режем их почти радиально (острым монтажным ножом или резаком для пластика), создавая зазор не менее 0,5 мм и снимая фаску с рёбер образовавшейся царапины, чтобы заусеницы или задравшиеся (смятые) края фольги не могли замкнуться, распрямившись. Поперечное сечение паза должно выглядеть примерно так:

Сверлим отверстия под новые диоды, счищаем возле них лак и лудим новые площадки. Затем, соблюдая полярность и оговоренные выше предосторожности – впаиваем. Полярность маломощных светодиодов определяется по ножкам («+» длиннее) или (если ножки уже откушены) – по шлицу на корпусе (он со стороны «минуса»). Если всё правильно, должно получиться последовательно.

При других конфигурациях монтажа нужно будет приложить смекалку электрика: как при помощи минимального количества резов и перемычек добиться необходимого соединения.

После монтажа следует каждый диод (или по два) проверить нашим же стабилизатором: чтоб потом не было сюрпризов при настройке схемы в виде аварийного режима с перегоранием предохранителя.

Наконец, приступаем к монтажу электронной части (которая не сложней, чем наш испытательный стабилизатор). Вполне возможно обойтись и без печатной платы, особенно – если предохранитель FU заключить в блочный держатель и диодный мост использовать монолитный с отверстием для крепления к корпусу, например, BR36, BR310 и т.п. (100-кратный запас по току еще никому не мешал). На их выводах прекрасно распаяются остальные детали. Если (забегая вперед) реле К1 не удастся достать совсем миниатюрное, его также лучше закрепить «спиной» или боком к корпусу.

Конденсатор С1 должен обеспечивать реактивный балласт около 10 кОм, что на промышленной частоте достигается при ёмкости около 0,35 мкФ (Rc=1/315C). Лучше (чтобы при испытаниях ток не превысил 20 мА) поставить С1=0,33 мкФ (не менее 400 В), а при необходимости (недостаточном токе) – допаивать ему в параллель значительно меньшую ёмкость. R1 – просто для достаточно быстрого разряда С1 без сколько-нибудь существенной рассеиваемой мощности. Например, 1 МОм. R2 – в пределах 100-150 Ом, 1-2 Вт (можно импортный уменьшенных габаритов: средняя мощность на нём не будет превышать 0,05 Вт, но он должен иметь приличное сечение, чтобы выдерживать импульсную аварийную мощность до 800 Вт). Мосту или дискретным диодам выпрямителя (если абстрагироваться от крепежа)  достаточно выдерживать ток 0,05 А (в импульсе 3 А) и обратное напряжение 600 В. Вполне подойдут копеечные 1N4006. Конденсатор С2 обеспечивает сглаживание вредных пульсаций, а также смягчает режимы светодиодов за счет плавного включения и выключения (включение на глаз трудно отличить от обычного, но для полупроводника в достижении номинального тока, например, за 100 микросекунд или миллисекунд – разница огромная). Так что, его ёмкость – чем больше, тем лучше. Однако, поскольку габариты и цена тоже имеют значение, для 20-миллиамперной лампы достаточно 470 мкФ, а 1000 – было бы вообще превосходно. Разумеется, конденсатор нужен электролитический высокотемпературный (105°С) и с повышенным сроком службы – серий EXR, CD26L и т.п. Его допустимое напряжение должно, по крайней мере, превышать суммарное рабочее напряжение светодиодов. В идеале же – быть не менее 350 В, поскольку в случае обрыва хотя бы одного из диодов или соединительных проводников на этом конденсаторе образуется полное амплитудное напряжение сети. Однако 1000 мкФ * 350 В – это деталька размером с женский кулак, да и цены немалой. Поэтому рациональнее ограничиться всё-таки напряжением излучателей, а на случай их обрыва предусмотреть нехитрую защиту (взрыв от перенапряжения подобного конденсатора – это не просто хлопок с разбрызгиванием электролита, он может представлять определенную опасность для людей и уж точно – для стеклянного светильника).

Рабочее напряжение светодиодов (можно опять взглянуть на их вольтамперные характеристики) составляет приблизительно 1,8 В – красного, 2,9 В – зелёного и 3,2 В – голубого и белого (можно замерить на диодах, подключенных к нашему стабилизатору). То есть в нашем примере (2 зелёных, 2 красных и 6 белых) должно быть около 29 В. Ближайший номинал напряжения в электролитических конденсаторах – 35 В. Но поскольку он довольно редок, а запас не помешает, то 50 В будет в самый раз. 1000 мкФ*50 В – вовсе не большой и не дорогой конденсатор, даже если брать из самых качественных серий. Защиту же на случай обрыва обеспечит стабилитрон VD1 с напряжением стабилизации выше напряжения на диодах, но ниже допустимого у конденсатора. Скажем, 36 В. Мощность от него потребуется 36 В * 20 мА=720 мВт. Вполне справится 1-ваттный импортный стабилитрон в корпусе DO-41, которых сейчас полно – любых номиналов и по смешной цене. А для большей надёжности (или если аналогичный расчет даст большую мощность) можно использовать несколько последовательно соединённых: их напряжения и мощности сложатся. Например, в нашем случае – 2 по 18-20 В.

Заметим, что такая защита не отключает лампу от сети: она не взорвётся и сможет находиться в таком состоянии неограниченное время – не светясь, но потребляя свою обычную мощность, пока её не отключат вручную. Поэтому для более мощных ламп (да и для повышенной безопасности маломощных) имеет смысл ввести в схему реле К1, которое при обрыве светодиодов и появлении тока через стабилитрон (стабилитроны) сработает и замкнёт контактом К1.1 сеть 220 В через R2 и предохранитель FU с номиналом 0,25-1 А. (Именно на этот случай R2 должен быть не совсем маленьким). Плавкая вставка моментально сгорит и полностью обесточит схему.

Напряжение срабатывания реле в сумме с напряжением стабилитронов не должно превышать максимального для конденсатора, а ток срабатывания – не превышать 15 мА (быть, во всяком случае, меньше, чем рабочий ток светодиодов). Контакты же его должны при сетевом напряжении уверенно коммутировать ток хотя бы в 1 А. Малогабаритных реле с такими параметрами не так уж и много. Я, например, остановился на недешевом, зато очень маленьком V23079-A1005-B301 производства “Siemens”, запараллелив в нём для токовой выносливости группы контактов. Поскольку напряжение срабатывания у него около 18 В, стабилитрон в нашем примере должен быть на напряжение 31-36 В (его мощность при наличии реле уже совершенно не важна). Впрочем, как уже сказано, для такого слабого фонарика подобная защита и не обязательна. Это – чтобы не возвращаться к вопросам схемотехники, когда речь пойдёт о мощных лампах.

Защитой же самих светодиодов от перегрузки при долговременных (порядка секунд) всплесках сетевого напряжения, а также дополнительным фактором снижения пульсаций при той же ёмкости С2 может стать транзистор VT, образующий для излучателей параллельный стабилизатор тока, величина которого настраивается потенциометром R3 с высокой надёжностью контакта и сопротивлением 100 Ом. Предельно допустимое напряжение транзистора должно раза в полтора превышать суммарное напряжение на светодиодах, а мощность даже при повышенной температуре достигать их суммарной мощности (в лампах на 2 Вт и выше его можно установить на тот же радиатор, что служит теплоотводом излучателей, не забывая об изолировании их друг от друга, если и у транзистора, и у диодов металлическая плоскость для охлаждения имеет связь с одним из выводов). Для снижения мощности, рассеиваемой на транзисторе (но не общей мощности в корпусе лампы), можно в его коллекторную цепь включить резистор R4 с сопротивлением не превышающим эквивалентного сопротивления светодиодной цепочки и такой же мощностью. В нашем случае R4=30 В / 20 мА=1,5 кОм, а его мощность = 30 В * 20 мА = 600 мВт (выбираем 1 Вт). Мощность, рассеиваемая транзистором, в данном случае не превысит половины этого значения, и, например, КТ817 (для нашего напряжения – с буквами В или Г) выдержит такой режим без радиатора. Транзисторы в корпусах TO-220 могут эксплуатироваться без радиаторов до мощностей 0,5 — 1 Вт – в зависимости от близости стенок корпуса и условий для естественной конвекции воздуха (закутанный во что-то теплоизолирующее сгорит, конечно, и при 0,5 Вт). Свыше 1 Вт – только устанавливать на радиатор, не забывая, что без возможности теплообмена с окружающей средой и от него толку немного: необходимо либо предусматривать вентиляционные отверстия, либо делать радиатором металлический корпус (изолируя установленные на него компоненты).

Но это опять было отступление, касающееся мощных ламп. А пока рассмотрим наладку нашего фонарика на примере самой «сложной» схемы – с транзистором и без реле. Кстати, в таком варианте (когда за рассеивание тепла отвечает транзистор) логично и стабилитрон (стабилитроны) соединить не с «минусом», а с его базой: тогда их, как и в случае с реле, можно использовать совсем маломощные.

Установив для начала (как уже говорилось) С1=0,33 мкФ, сразу при включении замеряем ток, который выдаёт наш балласт, присоединив (еще до включения) миллиамперметр прямо к выходу моста (параллельно С2). Он не должен превышать 20 мА.

Внимание! Подключая миллиамперметр к уже заряженному конденсатору, вы рискуете его сжечь. Поэтому – никаких удерживаний щупов руками: только крокодилы, прицепленные к хорошо зачищенному месту, или другое НАДЁЖНОЕ соединение, которое не трогаем, пока не отключим схему от сети! И переключение диапазонов измерения во включенном состоянии не делать: при этом также может прерываться цепь и успеть зарядиться конденсатор!

Если ток не больше, пока оставляем балласт в покое: точнее подгоним потом (ток уменьшится, когда вместо амперметра будут светодиоды, а потом еще – когда заработает транзистор). Теперь переключаем мультиметр на измерение постоянного напряжения и (уже не опасаясь прерывания контакта, но помня, что схема под фазой!) контролируем напряжение на крайних выводах R3: при выведенном транзисторе (левом по схеме положении движка) оно (в вольтах), умноженное на 10 будет равно току через диоды в миллиамперах (предполагается, что ваш прибор достаточно точен, а в резисторе действительно 100 Ом). Проверим, что закрыт транзистор: напряжение на R4 должно быть нулевым или составлять сотые доли вольта.

Вот теперь точнее подбираем балластную ёмкость С1, добавляя в параллель меньшие конденсаторы (но тоже не менее 400 В!), пока не получим ток, скажем, 19 мА (то есть напряжение на R3 1,9 В). Желательно в это же время контролировать напряжение в сети: чтоб оно было действительно 220 В (а если у вас оно ОБЫЧНО существенно повышено или понижено, то и настраивать лучше при обычном, типовом, так сказать). Можно потом (когда закончим и с транзистором) заменить всю эту батарею одним конденсатором, если найдётся необходимой ёмкости (она может быть очень «кривая» – например, 0,41 мкФ). Следует помнить, что погрешности недорогих плёночных конденсаторов сетевого напряжения обычно весьма велики, и изделие с номиналом, скажем, 0,33 может иметь ёмкость 0,3 или 0,37 мкФ (чаще – больше номинала). Поэтому, если нечем достаточно точно измерить ёмкость, испытания с новым конденсатором следует проводить очень внимательно, с готовностью моментально отключить схему, если ток окажется больше 20 мА (кратковременной – на пару секунд, достаточных для измерения – перегрузки на 10-20% светодиоды не боятся).

Транзистор VT начинает открываться, когда напряжение на введённой части R3, определяемое током через светодиоды, превысит определённый уровень, который мы сейчас и выставим, вращая ручку потенциометра. При этом он отбирает у излучателей часть тока: ведь суммарный (повторяю – при стабильном напряжении в сети) ограничен балластом. Контролировать эту часть удобнее всего по напряжению на R4 (опять же – по закону Ома: если R = 1,5 кОм, то каждые 1,5 В будут соответствовать одному миллиамперу). Этот расчет придётся освоить: ведь количество светодиодов (а значит – и R4) у вас, скорее всего, будет другим.

Чем больше ток транзистора, тем больше он принимает участие не только в защите диодов, но и в сглаживании пульсаций. Но при этом рассеивается дополнительная мощность, то есть происходит лишний нагрев изделия и снижение КПД. Тут уж дело хозяйское. В небольшой лампе можно и половину мощности транзистору отдать (увеличив, соответственно, ёмкость балласта, чтобы ток через светодиоды всё-таки не был меньше 15мА). Ведь если речь идёт, скажем, про 1Вт, то это ничто в масштабах квартиры, хоть и 50% составит. Зато режим диодов и гладкость света будут идеальными.

Но с другой стороны – к чему лишний нагрев? При достаточной ёмкости С2 пульсаций и так не будет, а от перегрузки и едва приоткрытый транзистор защитит… Короче, я бы советовал отпустить ему миллиампера три, чтоб светодиодам (без изменения балласта) осталось 16-17 мА: достаточный запас для хорошего срока службы.

Со стабилитроном вообще не должно быть никаких проблем, если он выбран на правильное напряжение, которое, как уже говорилось, должно быть больше суммарного рабочего напряжения излучателей, но меньше допустимого напряжения С2. В конце наладки можно проверить и аварийный режим: разорвать цепь светодиодов (конечно, не выпаивая лишний раз диод, а только какой-нибудь соединительный проводник). Напряжение на С2 должно повыситься, но не превысить номинального. Следует убедиться, что в таком режиме (и с закрытым корпусом) и через минуту, и через час транзистор и стабилитрон не перегреваются. Градусов 70-80 вполне допустимо, а вот 100 – уже нет. (Напомню еще раз, что касаться деталей голой рукой можно только после отсоединения ОБОИХ питающих проводников от сети).

Испытанную схему можно собирать весьма плотно, смело заливать силиконом – за исключением самих излучателей (возможно, когда-то какой-нибудь из них всё же придётся заменять) и нагревающихся элементов. К заднему торцу (если лампа будет использоваться в стандартном светильнике) можно приклеить (вплавить) цоколь Е27 или Е14 – какой нужен. Только их лучше брать не от обычных стеклянных лампочек (очень трудно и очищать, и паять), а от сгоревшей энергосберегашки, например: и медные выводы есть, и закреплено на пластмассе, которую с пластиком же соединять, естественно, проще, чем металл.

Но чаще подобные изделия используются, конечно, нестандартно (смотрите примеры ниже, плюс полностью скрытые в чем-то бескорпусные варианты), и проблемы с цоколем отпадают. Ведь заменять такую лампочку не придётся НИКОГДА.

В принципе – готово. Но не забываем, что это фактически модель. С малой мощностью и совершенно смешной эстетикой. Впрочем, уже долговечная, экономичная и безвредная. И пока недорогая (кроме фонарика – не больше 150 р при самых качественных комплектующих). Если не предъявляются особые требования к внешнему виду (или есть возможность использовать для маскировки какой-то абажур, скрыть в элементах интерьера), её вполне можно использовать для близкого освещения книги при чтении, подсветки клавиатуры и т.п. Компьютерщики-холостяки, например, и не так еще комнату уродуют – и ничего. Зато удобно, выгодно, практично, и глаза не чешутся!

Например, ночник «Звезда» – 12 маломощных белых диодов. Возможно, в ночнике интереснее смотрелись бы цветные, зато под этими читать можно! А в направленном для чтения – всего 4 диода – примерно 0,25 Вт! Правда, С2 маловат: заметны пульсации – горизонтальные полосы.

Для подсветки клавиатуры – с одним мощным, но зато включенным в треть накала – 0,33Вт.

Рассмотрим теперь, что можно сделать, вложив несколько большие средства (или располагая хотя бы более серьёзным негодным фонариком).

Прежде всего, речь идёт о повышении мощности: чтобы перейти уже к освещению целых комнат. Хотя и с точки зрения дизайна, и эргономики, и техники – в связи с изначальной направленностью светодиодов – их рациональнее использовать в качестве местного освещения или точечных маломощных светильников, встроенных в мебель, ступени, потолок и т.д. Малое тепловыделение как раз позволяет устанавливать их даже на легкоплавких или горючих основаниях и полностью заглублять в самые различные материалы. Но всё-таки мощности хотя бы в 3-5 Вт достигать нужно.

Для этого есть два естественно напрашивающихся пути: увеличивать количество светодиодов или повышать мощность каждого. Кстати, переходных, промежуточных вариантов нет: как уже отмечалось, диоды бывают на 20 мА, а далее – сразу на 300, со всеми вытекающими изменениями схемы и проблемами с отводом тепла. Превращать всю лампу в сплошной радиатор (как в промышленных изделиях) при кустарном производстве очень сложно и дорого. Да и хороший спектр из трёх-пяти излучателей составить невозможно (тем более что и выбор-то мощных всегда значительно скромнее).

Увеличение же количества 20-миллиамперных тоже не беспредельно: для нормальной работы реактивного балласта необходимо, чтоб хотя бы половина питающего напряжения падала на нём. Иначе будет антистабилизация: при незначительных изменениях питания – существенные колебания тока через излучатели. То есть суммарное напряжение на последовательной цепочке светодиодов не должно превышать 100 — 140 В. Значит, имеем технический предел полезной мощности около 2 Вт. При использовании нескольких параллельных цепочек возникают проблемы с выравниванием токов в них, независимой защитой и т. д. Получается всё равно, что собрать несколько отдельных полноценных схем, начиная от балласта. Но в таком случае логичнее уже делать их в раздельных корпусах, то есть просто изготавливать несколько ламп. Ведь в помещении любого стиля и назначения всегда 5, например, одноваттных светильников дают больше возможностей для красивого и удобного освещения, чем один 5-ваттный.

Комбинирование в одном изделии мощных и маленьких светодиодов приводит к тем же проблемам даже в большей степени (кто-нибудь видел хоть один промышленный светильник с разными диодами?) и является нерациональным. Например, в сфотографированном «компютерном» когда-то было 2 мощных диода и 4 двадцатимиллиамперных. В результате, как уж я ни балансировал токи, на сегодняшний день в живых остался только один…

А вот пример почти максимального использования маломощных: 33 диода суммарным напряжением 90 В (потому, что 4 из них зелёных и 10 красных) – этакий односторонний ёжик (полностью самодельный, без основы-фонарика) для эффективного освещения угла примерно в 70°. Транзистором установлен ток диодов 17 мА, то есть полезная мощность 1,5 Вт, потребляемая – около двух. Фотографировалось в процессе пайки, так что хорошо видна разница в пульсациях совсем без С2 и с ёмкостью 1000 мкФ. При допустимом напряжении 160 В такой конденсатор имеет уже непомерные габариты. Поэтому использован на 100 В. А поскольку запас по отношению к рабочему напряжению получился совсем небольшим, применена качественная защита на том самом сименсовском реле. И кстати, впаивание не «по самые уши», как видите, обеспечивает возможность не только теплоотвода при пайке, но и ориентации диодов в немного разных направлениях.

Исходя из перечисленных сложностей, лично я вижу решение вопроса о повышении мощности самодельных ламп в использовании нескольких 1-ваттных диодов в сильно недогруженном режиме. Конечно, для 5-ваттной лампы их придётся купить штук 15. Но сейчас они уже не очень дороги, а расходы эти окупятся массой преимуществ:

1) продукция даже самого дешевого производителя при трёхкратном, например, «запасе прочности» будет служить действительно ВЕЧНО;

2) совсем не такой острой станет проблема отвода тепла, позволяя, как и для маломощных диодов, использовать пластиковые корпуса и всевозможные упрощения конструкции;

3) достаточно большое количество излучателей позволит (опять же, как для 20-миллиамперных) составить желаемый спектр;

4) ток, потребляемый из сети, остаётся небольшим (а напряжение, как уже говорилось, при длине цепочки до 30 диодов нас практически не волнует);

5) эффективность (световая отдача) диода в недогруженном режиме выше, чем в номинальном, то есть общий КПД устройства возрастёт.

Рекомендую приобретать не совсем «голые» светодиоды, а уже установленные при помощи заводского оборудования на монтажную пластину «звезда». Цена от этого почти не меняется, а вот обеспечить вручную такой тепловой контакт весьма трудно. Кроме того, эти «звёзды» значительно упрощают дальнейший монтаж, исключают выход диода из строя при пайке и являются уже сами по себе небольшим радиатором. Они представляют собой скорее шестигранники из алюминия с полукружиями по углам для крепежа.

На металл наклеен очень тонкий (проводящий тепло) стеклотекстолит с печатными проводниками. Основание получается полностью изолированным, а выводы подпаиваются не к тем же точкам, что светодиод. То есть такое изделие можно смело паять и крепить к общему радиатору, металлическому корпусу – чему угодно. Только не подвергать особым механическим нагрузкам: тонкий алюминий легко гнётся, а при этом отслаивается текстолит или ломается диод.

Одноваттный излучатель на «звезде» может рассеивать до 0,3 Вт при её установке на пластик и примерно 0,4 Вт в «подвешенном» состоянии – со свободной конвекцией воздуха со всех сторон. Более мощный диод на таком же радиаторе будет не намного выносливее, поэтому нет смысла покупать дорогие. Таким образом, для большинства конструкций можно рекомендовать рабочий ток около 100 мА. Для этого балластная ёмкость С1 должна быть увеличена до 1,5 — 2,2 мкФ (наладка уже не требует той осторожности: можно и на десяток секунд превысить ток втрое!) и уменьшены номиналы R1, R2 – примерно до 510 кОм и 100 Ом соответственно. Допустимый ток перегорания плавкой вставки в релейной схеме будет уже в пределах 0,5 — 1,5 А. Кстати, без релейной защиты в мощных лампах уже никак (не рассеивать же несколько ватт вхолостую на стабилитронах), а вот токостабилизирующий транзистор будет слишком расточительным (да и не таким уж необходимым при трёхкратном запасе). То есть рекомендуется вторая сверху схема.

Для сглаживания пульсаций с тем же качеством ёмкость С2 должна в идеале увеличиваться пропорционально току. Однако ставить 4700 мкФ * 50 В, конечно, слишком. Вполне достаточно и 2200.

R3 и соотношение между номинальными напряжениями С2, VD1, К1 и суммарным рабочим напряжением светодиодов остаются такими же, как описывалось выше. Напряжение на каждом диоде в недогруженном режиме будет меньше (но совсем чуть-чуть, не в 3 раза!) – примерно 3 В на белом.

Очень удобно остановиться на «чертовой дюжине» диодов (около 4 Вт): и напряжение благоприятное для 50-вольтового конденсатора (39 — 40 В), и диаграммы направленности диодов будут довольно близко соответствовать равномерной полусферической освещенности при размещении их на четырёхгранной усеченной пирамиде. А такую фигуру легко сделать (например, из листового алюминия толщиной 1 — 2 мм): с основанием 65 * 65 мм, высотой граней 50 и верхним сечением 24 * 24 (высота пирамиды при этом будет примерно 45 – не так важно). На каждой грани тогда удобно разместить по 3 диода: например, зелёный и два белых разной «теплоты», а на вершине – еще один белый.

И в заключение – пару слов о герметичных светильниках.

В связи с низковольтным питанием каждого излучателя и отсутствием в них раскалённых элементов светодиоды лучше любого известного источника света подходят для мест влажных, пожаро- и взрывоопасных, чувствительных к электричеству. Благодаря малому нагреву возможна их очень тщательная герметизация.

Но даже при нарушении изоляции, светодиодами можно освещать фонтаны и холодильники, бассейны и аквариумы, использовать в кулинарии, животноводстве, медицине в непосредственном контакте с любыми веществами и живыми организмами. Трёхвольтовое питание единичного диода или их параллельной группы можно ощутить разве что языком. К нему совершенно равнодушны рыбы, не происходит диссоциация воды (с разложением анодных материалов) или окисление молока.

Но это не наш случай! Во-первых, при наличии большой заряженной ёмкости даже трёхвольтовая цепь не является искробезопасной. А во-вторых, в связи с бестрансформаторным питанием любая точка нашей схемы (пусть рабочее напряжение диодов и 30 В) находится относительно заземленных предметов под фазой 220 В! Имейте это в виду и при освещении опасных или чувствительных мест используйте ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НИЗКОВОЛЬТНОЕ питание, получаемое при помощи понижающих трансформаторов с разделенными обмотками, и обязательно заземляйте вторичные цепи. А еще лучше (благо – потребление энергии у светодиодов совсем небольшое) применять в таких местах гальванические источники тока, аккумуляторы: нулевые пульсации и полная безопасность. Стабилизировать же ток в таком случае можно схемой, аналогичной нашему испытательному устройству.

Назад к каталогу статей >>>

Вступление

Электрические лампы для создания светового потока имеют различные характеристики. Лампы в настоящее время бывают в нескольких вариантах исполнения – накаливания, светодиодные, газоразрядные, натриевые, металлогалогенные. Электроосветительные приборы с всевозможными лампами в зависимости от их числа могут создавать разные уровни освещения и комфортности в помещениях.

Теплый и холодный спектры

Электроосветительные приборы имеют теплый и холодный спектры. Для жилых помещений лучше использовать теплый световой индекс освещения, это создаст более высокий уровень комфорта. Для медицинских учреждений допустимо использование света холодного спектра излучения.

Световой поток холодного спектра обычно выдают энергосберегающие лампы ртутного типа. Их можно использовать в медицинских кабинетах в учреждениях здравоохранения. Небольшая ультрафиолетовая составляющая в световом спектре позволит незначительно дезинфицировать предметы интерьера в помещении и воздух в кабинетах.

Световые потоки от специализированных медицинских ультрафиолетовых светильников предназначены для продолжительной дезинфекции медицинских помещений:

• хирургические залы,
• процедурные кабинеты,
• перевязочные комнаты.

Как измерить световой поток?

Как измерить световой поток? Для этих целей используются приборы, именуемые люксометрами. Они предназначены для измерения силы световых потоков в комнатах и в рабочих помещениях. Сила светового потока измеряется в люксах (lx) или люменах (lm). Определить мощность можно в различных единицах измерения уровня яркости ламп.

Излучение света от разнообразных устройств можно изменять за счет установки на светильник всякого рода прозрачных и полупрозрачных коробов. Эти конструкции из пластика или оргстекла помогут сделать необходимый фон помещения (как жилого так и нежилого). Также конструкция из стекла будет служить как световой фильтр, убирая из спектра некоторые составляющие.

Для изменения уровня светового потока в помещениях можно применять точечные светильники с подключенными устройствами регулирования яркости приборов. В настоящее время появились модели светодиодных ламп (диммируемые), позволяющие изменять уровень яркости свечения.

Светодиодные электротехнические приборы обеспечивают самый ровный световой поток в помещениях. Очень удобно применять их для освещения в офисах, жилых строениях и квартирах. Также светодиодные лампы стали широко применяться в автомобильной электрике, как для подсветки приборных панелей и автомобильных салонов, так и для применения в габаритных огнях и фарах дальнего и ближнего света.

Поток светового излучения при применении в автомашинах будет получаться немного пульсирующим, это связано с тем, что в современных машинах находятся генераторы переменного тока, в корпусе которых установлены электротехнические выпрямительные элементы. Для того чтобы сгладить пульсацию напряжения в сети автомобиля, можно использовать электролитические конденсаторы на 25 вольт. При их подключении в параллельную работу с лампами необходимо соблюсти полярность подключения, то есть электролитические конденсаторы требуется подключать соответственно плюсом к плюсу, а отрицательный вывод – к корпусу автомашины.

Комбинация разных источников светового потока

Электрические источники позволяют комбинировать построение светового потока за счет создания определенного порядка при их монтаже. Приборы в настоящее время позволяют создавать комбинированное освещение за счет подключения различных источников света – здесь могут применяться потолочные, настенные, напольные источники излучения.

Для создания комфортных условий домашнего освещения можно скомбинировать разные источники светового потока. Это может быть применено в комбинации с настенными, потолочными и светильниками, установленными на полу (торшеры). При помощи каждого из этих источников света можно создавать всевозможные комбинации.

Поток в помещениях и комнатах можно изменять за счет переключения различных светотехнических устройств. Это позволяет добиться оптимально приемлемого освещения и создания комфортного режима для просмотра телевизора или чтения журналов или газет в комнате.

Подбор уровня освещения

Уровень освещения можно подбирать самостоятельно при помощи двух- или трехклавишных выключателей, а также при помощи устройств регулирования напряжения на источник света (электрические диммеры).

Диммер освещения позволит плавно убавлять или добавлять уровни светового потока в помещениях, также он нужен для регулировки внешнего освещения дома или офиса. Световой поток от светодиодных ламп является самым ровным источником, то есть он дает свет без различных пульсаций, как в газоразрядных лампах.

Свет от источников электрического освещения можно оптимизировать под свои потребности с использованием фильтров различного уровня. В качестве фильтров можно использовать оргстекло, кварцевое стекло, прозрачные или полупрозрачные пластиковые панели различной конфигурации.

Применение пластиковых панелей для создания световых фильтров – наиболее приемлемый вариант в отличие от панелей из оргстекла. Пластиковые панели со временем не будут терять прозрачность от воздействия солнечной радиации. Если применять в качестве светофильтров панели из оргстекла, то нужно понимать, что этот материал со временем становится матовым, и световой поток через такие фильтры ухудшается.

При помощи различного вида электроосветительных источников получаются интересные световые комбинации. Также в настоящее время есть немало светотехнических устройств, использующих в своей конструкции лазерные излучатели светового потока. Сами по себе лазеры работают в разных диапазонах светового спектра, диапазон излучения может быть как в видимом спектре излучения, так и в невидимом уровне света для глаз человека.

Лазерные световые потоки могут быть как опасным уровнем излучения для зрения человека или животных, так и безопасным. Все зависит от мощности излучателя лазерного устройства и длины радиоволн светового спектра излучения.

При помощи лазерных световых потоков можно создавать различные пространственные эффекты, объемные графические визуализации (3D, 5D). Также с помощью лазерных установок делается всевозможное освещение или подсветка фасадов зданий или рекламных баннеров.

Световые потоки от лазерных устройств позволяют получать контрастные и четкие изображения. Они дают возможность воспроизводить тексты, видеоизображения (в том числе объемные), качественные фотоизображения.

Поток от лазеров, особенно от достаточно мощных, следует направлять вверх, избегая попадания лазерного излучения в сторону людей или животных. Попадание излучения в глаза может нанести вред здоровью, в том числе и непоправимый.

Световые потоки различных источников

Различные потоки от всевозможных источников имеют разную силу и интенсивность своего излучения. Лампы накаливания дают силу уровня своего класса, газоразрядные световые устройства ртутного типа обеспечивают свечение другого вида спектра с ультрафиолетовой составляющей, светодиодные светильники выдают ровный световой поток (что весьма удобно использовать в библиотеках, медучреждениях). Светодиоды питаются постоянным током, поэтому свет, исходящий от них, не мигает и не пульсирует.

От светодиодных источников всегда получается ровный поток в отличие от ламп других типов. Для освещения различных мест необходимо подбирать соответствующий световой поток.

Ртутные лампы лучше не использовать для освещения в цехах металлообработки, так как частота пульсации иногда может совпадать с частотой вращения станочного оборудования.

Ультрафиолетовые светильники или натриевые лампы лучше всего подойдут для создания потока в тепличных хозяйствах. При таком освещении урожай в теплицах будет быстрее созревать и давать плоды.

Световой поток можно комбинировать с ультрафиолетовыми светильниками и натриевыми лампами, это позволит создавать в тепличных помещениях лучший спектр для роста и созревания растений и саженцев. Для фильтрации светового излучения от электроосветительных приборов можно использовать различные светофильтры, как заводского изготовления, так и изготовленные самостоятельно.

Светофильтры

Светофильтры помогут правильнее подобрать световой спектр излучения от источников электрического освещения. При помощи фильтрующих элементов на светильниках можно создавать оптимальный поток для комнатных или тепличных растений.

Светофильтры могут быть закреплены на конструктивных элементах световых приборов, либо можно использовать самостоятельно изготовленные крепежные держатели. Фильтры помогут снизить или совсем убрать из спектра ненужные для растений лучи. Некоторые лучи могут не оказывать на развитие растений положительного воздействия, либо пагубно действовать на рост и плодовитость взращиваемых культур растений.

Источник.

Внимательный читатель, наверно, хорошо помнит осеннюю серию спектральных измерений 2018 года, которую нам удалось провести с замечательным прибором – спектроколориметром Konica Minolta CL-70F. Основной акцент тогда был сделан на получение свыше 300 спектров различных ламп, которые можно обнаружить в нашей Базе спектральных измерений. В течение лета следующего (2019) года у нас ещё несколько раз была возможность воспользоваться спектроколориметром, благодаря чему было сделано ещё несколько десятков довольно любопытных измерений, не подходящих под стандартный формат нашей базы. Тем не менее, мы решили собрать наиболее интересные из этих результатов в эту отдельную статью.

Смешение спектров люминесцентных ламп

Первое, о чём хотелось бы рассказать – это о результатах сложения (смешения) спектров люминесцентных ламп, которое иногда используют якобы для получения нестандартных цветовых температур и повышения цветопередачи. Для примера посмотрим спектры ламп с галофосфатным люминофором типа ЛБ18-1:

и ЛДЦ18:

а также их суммы:

Результаты сравнения приведены в таблице:

Аналогичные результаты были также получены для ламп ЛБ20-1 и ЛД20:

Несколько иная картина наблюдается для так называемых «трёхполосных» ламп, содержащих трёхкомпонентные люминофоры. Для примера возьмём TLD18W/827:

и TLD18W/840:

Результат суммирования:

или в табличном виде:

Аналогичный результат получаем для ламп 840 и 865:

Ещё более интересный результат получается, когда мы смешиваем световые потоки отдельных красной, зелёной и синей лампы (которые в сумме образуют как бы разделённую в пространстве трёхполосную лампу). Соотношением их потоков, падающих на спектроколориметр, можно в широких пределах менять цветовую температуру, однако индекс цветопередачи при этом неизменно остаётся выше 80.

Выводы:

1. Суммарные спектральные характеристики (цветовая температура Тц и индекс цветопередачи Ra) двух ламп одного типоразмера, но разной цветности получаются весьма близкими к среднему арифметическому характеристик «складываемых» ламп. Некоторые несовпадения результатов с точным средним арифметическим можно объяснить неравенством световых потоков двух ламп и погрешностью измерения.
2. Суммарный спектр стандартных ламп «белой» и «дневной» цветности примерно соответствует спектру стандартных же ламп «холодно-белой» («нейтрально-белой») цветности, так что использовать данное сочетание особого смысла нет.
3. Лампы с трёхполосными люминофорами практически в любом сочетании позволяют получить Ra>80. Кроме того, смешением в разных пропорциях потоков красной, синей и зелёной цветных ламп можно получить спектры с практически любыми нестандартными цветовыми температурами также при сохранении Ra>80.

Изменение спектра ламп при диммировании

Хорошо известно, что лампы накаливания вследствие теплового принципа своей работы сильно меняют свою цветовую температуру при диммировании. Фактически, при снижении мощности цветовая температура падает вместе с физической температурой тела накала (спирали) (лампа заметно «краснеет»), что хорошо видно на полученных нами графиках:

Однако среди неспециалистов часто бытует мнение, что в отличие от ламп накаливания, люминесцентные лампы не меняют своей цветности при диммировании (так как там «нечему остывать»). С помощью спектроколориметра нетрудно убедиться, что это не так: в люминесцентных лампах при снижении мощности также происходят достаточно сложные процессы, меняющие как физику самого газового разряда, так и механизм возбуждения люминофора. Результаты измерений, проделанных для двух ламп типа ЛБ36, работающих на регулируемом ЭПРА типа ETC236R/04, мы собрали на одном спектральном графике:

Хорошо заметно, как при уменьшении мощности ламп растёт сине-зелёная часть спектра, в то время как жёлто-красная остаётся практически без изменений:

В процентах на рисунке показаны относительные уровни светового потока, при которых получен каждый из спектров. Кстати, это явление хорошо заметно на глаз: при диммировании лампы «холоднеют» и превращаются из ЛБ в ЛХБ Индекс цветопередачи при снижении светового потока от 100% до 5% также растёт примерно на 2 пункта, впрочем вряд ли это изменение можно считать существенным.

Полностью аналогичные результаты были получены нами также для ламп ЛТБЦЦ40-2:

и TLD36W/830:

В последнем случае, кроме увеличения интенсивности пиков в сине-фиолетовой и зелёной части спектра, наблюдалось также снижение доли излучения в глубоком красном диапазоне (740-780нм).

Выводы:

1. Спектр люминесцентных ламп при диммировании меняется.
2. Изменения происходят за счёт увеличения интенсивности линий ртутного разряда с длинами волн 405, 436, 546нм и визуально воспринимаются как повышение цветовой температуры лампы (хотя прибор значительного повышения Т_ц не фиксирует).
3. У галофосфатных ламп при диммировании происходит незначительное повышение индекса цветопередачи, у трёхполосных ламп индекс цветопередачи не меняется.

Спектры различных источников

В заключение нашего обзора летней серии спектральных измерений 2019 года познакомим читателя с традиционной подборкой довольно любопытных спектров различных, иногда немного неожиданных источников света.

1. Экран ЭЛТ телевизора Samsung (полностью белое свечение R=G=B=255, Тц=8926К, Ra=68,3):

2. Экран LCD телевизора Benq с люминесцентной подсветкой (полностью белое свечение R=G=B=255, Тц=7025К, Ra=91,9):

3. Экран чёрно-белого ЭЛТ телевизора (полностью белое свечение R=G=B=255):

5. Солнце в июльский полдень (27.07.2019 в 13:00, Тц=5200К, Ra=99,5):

6. Июльские сумерки (21.07.2019 в 21:00, ясное небо, Тц=16457К, Ra=94,5):

8. Фосфоресцирующая краска наподобие той, что применялась в советских ёлочных игрушках, цвет свечения светло-зелёный:

И ещё аналогичные краски – оранжевая:

розовая:

и голубая:

9. Люминесценция белой офисной бумаги в свете ультрафиолетовой лампы «чёрного света» Blacklight blue:

Как можно видеть, спектры окружающих нас источников света крайне сложны и многообразны, и всегда бывает довольно интересно ознакомиться с ними поближе. В наших дальнейших планах – ещё несколько серий спектральных измерений (одна из которых будет целиком посвящена естественному дневному свету), результаты которых могут найти применение в различных учебных, научно-популярных и научных исследованиях.