FőoldalKonstruktőrA napsugárzás teljes spektrumán egyenletesen sugárzó LED-világítás
2021. október 07., csütörtök ::

A napsugárzás teljes spektrumán egyenletesen sugárzó LED-világítás

A „nappali fény” LED-hullámhosszeloszlása a napsugárzás spektrumát igyekszik közelíteni. Vajon milyen előnyöket jelent ez más fényforrásokkal összehasonlítva és hogyan befolyásolja az így előállított megvilágítás az emberek érzékeit? Erre keresnek választ a szerzők, az eurolighting GmbH, az Endrich-csoport különleges LED-megvilágításokkal foglalkozó leányvállalatának specialistái.

A napfény alapvető fontosságú az élet keletkezésétől kezdve az evolúció folyamán egészen a jelenkori társadalom kialakulásáig és természetesen ezután is, hiszen a Föld teljes dinamikájára hatással van. Nemcsak a látás képességét biztosítja az élőlények nagy része számára, hanem alapvető energiaforrásként is szolgál a növények növekedéséhez és az élőlények hőháztartásának szabályozásához is.

A mesterséges fény előállításának képessége lehetővé tette, hogy az emberek építményekbe húzódva töltsék idejük egyre nagyobb részét. Egyes tanulmányok szerint az európai ember idejének 90%-át beltéren, sokszor mesterséges fényben tölti, ami jelentősen eltérő környezet a természetes életkörülmények közt (szabadtéren) megszokottól.

Az első, ipari mennyiségben készült és mindenki számára elérhető mesterséges elektromos fényforrás az izzólámpa volt, melyet követett a fénycsövek, az energiatakarékos fényforrások és utóbb az egyre nagyobb jelentőségű LED-világítás.

abra1

1. ábra. A fény evolúciója: a napfénytől a gyertyán keresztül a mesterséges fényforrásokig és a LED-világításig

Ezek az eszközök tették a mesterséges megvilágítást energiatakarékossá, fenntarthatóvá és hosszú élettartamúvá, azonban egy nagyon fontos tényezőt figyelmen kívül hagyva: az emberi testre és pszichére gyakorolt hatást. Az emberiség fejlődése során megszokta a nappalok és éjszakák periodikus változásán alapuló életritmust, ami a mesterséges világítás miatt felborul, mely nemcsak a napszakok hosszának időbeli kitolódásán keresztül befolyásolja az emberi szervezet működését, hanem a fény spektrális összetételének a napfénytől való jelentős eltérésén keresztül is hat, és rövid távon alvászavarok léphetnek fel, hosszabb távon pedig diabétesz, gasztroenterológiai vagy kardiovaszkuláris betegségek kialakulásához vezethet.

abra2

2. ábra. A napfény spektrális energiaeloszlása a teljes hullámhossztartományon nagyjából egyenletes

abra3

3. ábra. Összehasonlításképpen az izzólámpa spektrális energiaeloszlása

A napsugárzás és a mesterséges fényforrás fenti spektrális energiaeloszlás-görbéit összehasonlítva látható, hogy a napfény a teljes spektrumot, az ultraibolyától a látható fény tartományán keresztül az infravörös tartományig lefedő egyenletes energiájú elektromágneses sugárzás, és az ember ehhez alkalmazkodott az evolúció során. Érzékszerveink számára a látás és színérzékelés komfortját a természetes napfény biztosítja, a maximális színvisszaadási tényező (Ra = 100) természetes napfényben érvényesül.

A Naphoz hasonlóan az izzólámpa izzószála is egy sugárzó test, és bár mint minden sugárzó testnek ennek is folytonos a spektruma, az energiaeloszlása már korántsem olyan egyenletes, mint a természetes napfénnyé. Sokkal kisebb a kék komponens, és érhető módon a spektrum eltolódik a vörös-infravörös tartomány felé, ami ideális fényforrássá teszi melegfény előállításához.

A probléma az izzószállal az, hogy energiájának több. mint 90%-át a láthatatlan infravörös tartománybeli hősugárzás formájában adja le, ezért a fényhasznosítása (hatásfoka) nagyon alacsony. Emiatt az EU erősen korlátozza az ilyen fényforrások használatát és kereskedelmét.

Más fényforrások, mint például a gázkisülésen vagy az elektrolumineszcencia elvén működő lámpák spektruma is jelentősen eltér az ideálistól mind a Nap magas színhőmérsékletével, mind az izzólámpa alacsony színhőmérsékletével összehasonlítva. Ezek a fényforrások a gerjesztett gázra jellemző hullámhosszokon rendelkeznek jelentős energiával, spektrumuk nem folytonos, abban nagy rések találhatók

abra4

4. ábra. A fénycső tipikus spektrumában kitüntetett hullámhosszok rendelkeznek kiugró intenzitásértékekkel

A 4. ábrán megfigyelhető, hogy a fénycső spektrumában a folytonos eloszlás helyett csak három kitüntetett hullámhossztartományban, a kék (440 nm), a zöld (545 nm) és a vörös (610 nm) tartományokban találunk intenzitásmaximumokat. A fényeloszlás diszkrét volta mellett második problémaként fénycsöveknél a vibrálás jelentkezik, amely bár szabad szemmel általában nem látható, az idegrendszerre hatással van és számára stresszt okoz.

Napjainkban egyre szélesebb körben használnak LED-fényforrásokat kiváló fényerejük, kis méretük és energiatakarékos mivoltuk miatt. A világítástervezés során skálázhatóságuk és vezérelhetőségük miatt szinte korlátlan lehetőséget adnak a mérnökök számára a hagyományos fényforrásokkal összehasonlítva. A LED-technológia, akár kis helyre koncentráltan is, ma már lehetővé teszi a 200 lm/W hatásfok elérését.

A fény erősségével kapcsolatos előnyök mellett azonban ki kell térni a színérzet kérdéskörére is. A fehér szín leírására használt legfontosabb világítástechnikai fogalom a színhőmérséklet, melyet kelvinben adnak meg és a meleg (sárgás) színkarakterisztikától a hideg (kékes) árnyalatokig értelmezett. Tudományosabb definíciója szerint a színhőmérséklet egy feltételezett, izzó fekete test által létrehozott színérzet, melyet az izzás hőmérsékletével jellemzünk. Mivel a LED (és egyéb modern) technológiák nem hőmérsékleti sugárzás elvén működő fényforrások, a színhőmérsékletnek fizikai értelmezése nincs, ezért ezekben az esetekben korrelált színhőmérsékletről (CCT – Correlated Color Temperature) beszélünk, és a fényforrás fénye által létrehozott színérzetet a hozzá legközelebb eső, színérzetet adó fekete test színhőmérsékletéhez igazítjuk. Az izzó fényforrások folytonos spektrumban sugároznak, így az általuk megvilágított objektum minden színét képesek megjeleníteni.

Az olyan fényforrások, melyeket korrelált színhőmérséklettel jellemzünk (pl. fehér LED), nem rendelkeznek egyenletes sugárzással a spektrum összes hullámhosszán, ezért az általuk visszaadott színérzet nem tökéletes. A fényforrások színvisszaadására jellemző mennyiség az ún. színvisszaadási tényező – CRI (Color Rendering Index), mely az izzó feketetest-sugárzók esetében a maximális 100-as érték. Professzionális megvilágítás esetén, a technológiától függetlenül, minimálisan 90-es CRI-értéket kell biztosítani.

abra5

5. ábra. Hagyományos világítástechnikai (fehér) LED spektruma a kék tartománybeli intenzítás maximummal

A fehér LED gyártástechnológiájából fakadóan, nevezetesen, hogy a fehér fényt kék chip fényének foszforréteg alkalmazásával történő konverziójával érik el, a LED spektruma erősen kiegyenlítetlen lesz. A kb. 450 nm hullámhosszérték körül (kék tartomány) erős maximumot találunk. Jelentősen kisebb a kontrasztos látáshoz szükséges ciántartománybeli komponens, valamint a sejtregenerációhoz szükséges infratartománybeli komponensek alig vannak jelen.

Bár a korszerű mesterséges világítások alapvetően kiszolgálják az emberi fényszükségletet mind az intenzitás, mind a színvisszaadás tekintetében, a természetes napfénnyel összehasonlítva spektrumukból fontos területek hiányoznak. Ennek a kiegyenlítetlen spektrumnak eredményeképpen a mesterséges megvilágítás hosszú távon az alvászavaroktól a súlyos betegségekig terjedő széles skálán pszichés és egészségügyi problémákat okozhat.

Speciális foszformix alkalmazása

Az euroLighting GmbH a 2019-es németországi Design Award győztes speciális LED-családja egyszerre igyekszik kiszolgálni az emberi psziché és az érzékszervek szükségleteit. A Human Sun Lighting LED-család egyszerre biztosít megfelelő kontrasztot, fényerőt, színvisszaadást, valamint egészséges világítást, jó közérzetet.

A LED-tokozásban használt kék és lila chipek színét a hagyományos sárga foszfor helyett speciális összetételű foszformix konvertálja, ami elnyomja a spektrumban a hagyományos LED-nél megfigyelhető kék szín dominanciáját, és a napsugárzáshoz hasonló, folytonos spektrumeloszlással ruházza fel a fényforrást.

abra6

6. ábra. Az euroLighting DayLight LED-et közel ideális napfényspektrum jellemzi 5000 K felett is

A Smart Eco Lighting Daylight-sorozatú eszközök mind alacsony, mind magas színhőmérsékleten (>5000 K) közelítik a természetes napfény spektrumát a teljes látható fénytartományban. A spektrum tartalmazza az össze lényeges hullámhosszkomponenst, amit a természetes napfény is biztosít. Az élőlények számára fontos összetevők így mesterség megvilágítás alatt is rendelkezésre állnak, megfelelő megoldást nyújtva munkahelyek, iskolai tantermek megvilágítására, de alkalmazhatók növénytermesztéshez és állattartáshoz is.

abra7

7. ábra. Széles spektrumú Sunlight LED

Az új fejlesztések szélessávú napfényspektrum megvalósítására törekszenek, ebben nemcsak a látható fény tartományán folytonos a spektrum, de a LED egészen az 1000 nm infravörös tartományig sugároz. Ezzel a megoldással a sejtregeneráláshoz szükséges hullámhosszak alkalmazásával a mesterséges megvilágítás orvosi fototerápiás feladatokat is ellát.

Ami a SUNLIGHT LED-család mezőgazdasági és kertészeti hasznosítását illeti, elmondható, hogy a GW3535U és GW1919U sorozattal az euroLighting olyan megoldást kínál beltéri termesztésre, ami a növény minden növekedési fázisában (levélképződés, lombosodás, termésképződés, növekedés) kielégítő és univerzális, fajta- és növekedésifázis-független módon segíti a fejlődést. Ez a hagyományos kertészeti LED-alkalmazásokhoz képest takarékos. mert nincs szükség a különböző fázisokhoz egyedi hullámhosszú lámpákra és odafigyelésre a jó terméshozam eléréséhez. Az ilyen LED-ek PPF-értéke (Photosynthetic Photon Flux) elérheti a 31,2 μmol/s értéket modulonként és 1,7 μmol/s értéket LED-enként. A kibocsátott természetes fehér fény korrelált színhőmérséklete kb. 4000 K és a színvisszaadási index (CRI) meghaladja a 97-es értéket. Ezzel nemcsak az ideális feltételek biztosítottak a növény számára, de a megfigyelő is kényelmesen dolgozhat, hiszen könnyen ellenőrizhető a palánták egészsége, a munkaterület pedig egészséges, természetes fényhez közeli megvilágítást kap. Az extra UV-komponens stimulálja a gyógynövényekben szaporodó aktív hatóanyag-tartalmat, és íz-, valamint pigment- és színfokozó hatással bír. Egy GW3535U-LED alkalmas 6 db 3,5 x 3,5 mm-es konvencionális LED kiváltására, ezzel hely- és költségmegtakarítást eredményez – a tervezési feladatok redukálásáról nem is beszélve.

Szerző: Simone Hettinger és Wolfgang Endrich, euroLighting GmbH

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény