Светодиодное освещение и его воздействие на зрение

светодиодное освещение дома, спектральный анализ

Светодиодное освещение, несмотря на инновационность и экономию в использовании, имеет не всегда видимую, но существенную разницу в комфорте световой среды. И в отличие от традиционных ламп накаливания, современное искусственное освещение при длительном воздействии может приводить к снижению производительности труда, к повышенной утомляемости и даже к заболеваниям. Это обусловлено тем, что светодиоды начали производиться в то время, когда промышленные стандарты безопасности еще нормировались строго.

В данном обзоре будут рассмотрены вопросы устройства, принципа работы и характеристик светодиодов. Также будут приведены результаты исследований, которые изучали воздействие светодиодного освещения на здоровье человека.

Конструкция светодиода

Светодиод старого форм-фактора (DIP) состоит из следующих компонентов:

устройство светодиода 1) Печатная плата
2) Полупроводниковый кристалл
3) Эпоксидная линза
4) Контактный провод
5) Электроды (катод и анод)
А) DIP светодиод
Б) SMD светодиод
В) COB светодиод
Г) Прожекторный светодиод

По типу корпуса светодиоды подразделяются на следующие конструкции:

  • DIP — старый форм-фактор, имеющий в конструкции линзу, пару контактов и кристалл (рассмотрен выше). Такие светодиоды нашли применение в световых табло и игрушках.
  • Superflux (пиранья) — это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Данный тип светодиода выделяет меньше тепловой энергии. Superflux применяется в автомобильной подсветке.
  • SMD светодиод — это устройство, выполненное в небольшом корпусе с вмонтированным светоизлучающим кристаллом, которое поверхностно монтируется на печатную плату. Данный форм-фактор используется в большинстве источников света, осветительных линий и светодиодных лент.
  • COB — это усовершенствованный SMD светодиод, у которого есть несколько чипов, вмонтированных на одной плате.

Принцип работы светодиода

Принцип работы светодиода основывается на свойствах p-n-перехода. Внутри его конструкции прижаты друг к другу два разных материала. Каждый из материалов подключен к своему выводу — катоду и аноду. После подачи положительного заряда на анод и отрицательного на катод, на p-n переходе начинает протекание электрического тока.

При прямом включении питания создается разность потенциалов, в результате которой все плохо закрепленные в атомах электроны, вращающиеся на высоких орбитах, начинают отталкиваться от отрицательного полюса и притягиваться к положительному.

как работает светодиод
Принцип работы светодиода

Поскольку раньше электроны находились на более высоких орбитах, то они имеют большую энергию, чем им нужно в новых атомах. Поэтому переходя на более низкую орбиту они выбрасывают лишнюю энергию в виде электромагнитной волны. Другими словами, на границе электронно-дырочно перехода происходит рекомбинация (обмен), и выделяется световая энергия в виде фотонов.

При заполнении электронами ближнего слоя атомов второго материала, приложенная разность потенциалов заставит эти электроны не изменяя своих энергий перескакивать по атомам дальше (до положительного полюса источника питания). И пока они будут перемещаться, первый слой снова заполнится пришедшими из первого материала электронами. Процесс будет повторяться до отключения источника питания.

Характеристики светодиодного освещения

Анализируя работу светодиодов рассматриваются такие параметры, как интенсивность светового потока (яркость), рабочее напряжение, сила тока, цветовая характеристика и длина волны.

Взаимосвязь цветовой характеристики, длинны волны и рабочего напряжения светодиода представлена в следующей таблице:

Цвет Длина волны Напряжение Материал проводника
Инфракрасный > 760 нм < 1,9 В Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
   Красный 610 — 760 нм 1,63 — 2,03 В Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
   Оранжевый 590 — 610 нм 2,03 — 2,10 В Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
   Желтый 570 — 590 нм 2,10 — 2,18 В Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
   Зеленый 500 — 570 нм 1,9 — 4,0 В Индия-галлия нитрид (InGaN)
Галлия(III) нитрид (GaN)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
   Голубой 450 — 500 нм 2,48 — 3,7 В Селенид цинка (ZnSe)
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата
Кремний (Si) в качестве субстрата (в разработке)
   Фиолетовый 400 — 450 нм 2,8 — 4 В Индия-галлия нитрид (InGaN)
   Пурпурный Смесь нескольких спектров 2,48 — 3,7 В Двойной: синий/красный диод,
синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком
   Ультрафиолетовый 10 — 400 нм 3,1 — 44 В Алмаз (235 nm)
Нитрид бора (215 nm)
Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) (менее 210 nm)
   Белый Широкий спектр 3,0 — 3,7 В Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором

Конструктивные особенности светодиодов

Конструкция современных источников света претерпела значительные изменения. В месте с этим изменился и спектр их излучения. Сравнение мощности спектра излучения стандартных светодиодов белого света, флуоресцентных (люминесцентных) ламп и традиционных ламп накаливания показано на следующем графике:

сравнение мощности спектра излучения осветительных приборов

Как видно из графика максимум мощности излучения у светодиодов белого света приходится на синюю часть спектра (400-490 нм). Вредно ли это?

Эксперименты показали, что воздействие синего света в диапазоне 400-460 нм является очень опасным и приводит к фотохимическому повреждению клеток сетчатки глаза. Также он способен влиять на синтез фото пигмента меланопсина, регулирующего циркадные ритмы и механизмы сна за счет подавления активности гормона мелатонина. Синий свет в диапазоне 470 — 490 нм может быть менее вредным для глаз.

Спектр излучения дневного солнечного света и различных искусственных источников света:

спектр излучения различных источников света

Анализируя спектральный анализ разных источников света можно отметить, что и флуоресцентные лампы также испускают свет во вредоносном диапазоне. Но интенсивность излучения при этом в 2 — 3 меньше, чем у светодиодов белого света.

Воздействие светодиодного освещения на глаза

Опасность синей части спектра видимого излучения светодиодов белого света подтверждена экспериментами:

  • Различные группы животных помещали в среды, освещаемые светодиодами различной цветовой температуры.
  • Помещения с контрольными группами животных имели освещение либо естественное, либо от ламп накаливания.
  • После эксперимента изучали состояние клеток сетчатки глаз в различные сроки.
  • Даже 24 часового пребывания при светодиодном освещении было достаточно для повреждения и гибели части клеток сетчатки глаз. Сильнее всего пострадали глаза у животных при освещении синим и холодным белым светом. В группах с теплым белым светом наблюдались менее выраженные повреждения глаз.

Французское агентство по продовольственной, экологической и профессиональной безопасности и здоровью (ANSES) в 2010 году опубликовало доклад «Светодиодные системы освещения: последствия для здоровья, с которыми стоит считаться». В нем говорится, что синий свет признан вредным и опасным для сетчатки глаза за счет вызываемого им клеточного окислительного стресса. Синяя часть спектра светодиодного света вызывает фотохимическое повреждение глаз, степень которого зависит от накопленной дозы синего света, в результате совокупности интенсивности освещения и длительности его воздействия.

Научная комиссия Евросоюза по новым и вновь выявленным рискам для
здоровья (SCENIHR) также в 2012 году подтвердила, что синяя часть спектра светодиодного света вызывает фотохимические повреждения клеток сетчатки глаза как при интенсивном кратковременном воздействии (часы), так и при длительном воздействии излучения низкой интенсивности.

Подведем итог. Наиболее безопасными для здоровья человека источниками света являются традиционные лампы накаливания и некоторые галогенные лампы. Поэтому их рекомендуется использовать в спальнях, в детских и для освещения рабочих мест. Для снижения уровня ультрафиолетового облучения рекомендуется отказаться от использования флуоресцентных (люминесцентных) ламп. При использовании светодиодного освещения для снижения уровня повреждения сетчатки излучением в синей части спектра следует использовать светодиоды теплого белого света. При работе в ночное время при искусственном освещении светодиодами или флуоресцентными лампами рекомендуется использовать очки, блокирующие синий спектр светового излучения.

подписка на дзен