Янтарные светодиоды — клад для светотехники?

При переходе с ДНаТ на светодиоды в уличном освещении в качестве аргумента приводился «более качественный», по мнению специалистов, спектр. К сожалению, реальная практика применения уличного светодиодного освещения продемонстрировала обратное — здесь и претензии экологов к обилию синей составляющей в спектре, и негативное восприятие новых светильников жителями городов, уже привыкших к теплым оттенкам натриевых ламп [Л]. Теперь предлагается вернуться к спектру, характерному для ДНаТ, но уже реализованному с помощью светодиодов. Главное место в новой концепции уличного освещения отводится светодиодам с янтарным оттенком свечения.

До того, как в светодиодах стали использоваться люминофоры, цвет свечения полупроводниковых источников зависел исключительно от комбинации используемых при их производстве материалов. Без нанесения люминофоров можно производить светодиоды красного, синего, зеленого, желтого и так называемого янтарного цветов. Термин «янтарный цвет» пришел из зарубежной литературы в результате перевода английского термина amber, означающего «янтарь». Естественно, у янтаря в природе могут быть самые разные оттенки, данный термин введен искусственно, чтобы разделить светодиоды желтого свечения с длиной волны 570–580 нм и светодиоды с длиной волны 590–600 нм, свечение которых по оттенку находится между желтым и оранжевыми цветами. Желтые светодиоды производились в основном на основе фосфида галлия (GaP). Производственный процесс при его использовании дешев, но светоотдача получаемых светодиодов крайне низкая. Янтарные (amber) светодиоды до недавнего времени изготавливались главным образом на основе арсенидафосфита галлия (GaAsP). Их светоотдача выше, чем у светодиодов на основе GaP, а оттенок визуально напоминает пламя свечи. Поэтому, если желтые светодиоды до сих пор используются как индикаторные, янтарные светодиоды нашли свое применение в декоративной подсветке. Следует отметить, что оттенок свечения янтарных светодиодов напоминает оттенок усовершенствованных ламп ДНаТ, пик спектра которых также находится в пределах 590–600 нм.

При внедрении первых осветительных светодиодов белого свечения предлагалось устанавливать вместе с ними янтарные светодиоды для получения более приятного глазу «теплого» оттенка. В 2010 году компания Philips начала выпуск светодиодных ретрофитов, меняющих спектр при диммировании. Дело в том, что диммирование меняет спектр ламп накаливания и галогенных ламп в сторону более «теплого» оттенка. Это вполне соответствует логике использования источников света — как правило, освещение диммируют незадолго до сна, либо, чтобы создать более расслабленную атмосферу на вечеринке. В обоих случаях более «теплый» оттенок предпочтителен. Эффект достигался за счет присутствия в лампе как белых, так и янтарных светодиодов, при диммировании свечение первых снижалось в большей степени, чем вторых.

Принципиальным отличием PCA-светодиода от белого светодиода с низкой цветовой температурой является практически полное отсутствие в спектре синей составляющей.

Применение янтарных светодиодов на основе GaAsP выявило два основных недостатка. Во-первых, низкая светоотдача. Лучшие светодиоды GaAsP имеют показатели не более 40 лм/Вт и способов, как преодолеть этот предел, пока не найдено. Основная причина заключается в том, что прямое напряжение на GaAsP светодиоде составляет всего 2 В, что в 2 раза меньше, чем, например, прямое напряжение на GaN светодиоде. Для того, чтобы подвести равную мощность, GaAsP светодиод должен иметь вдвое большую плотность тока в кристалле, что снижает КПД источника света.

Во-вторых, узкий спектр таких светодиодов. Из-за этого GaAsP светодиоды не могут рассматриваться в качестве возможной замены ламп ДНаТ там, где необходим спектр, характерный именно для данных источников света.

Янтарный оттенок, формируемый люминофором

Более перспективным направлением является использование в качестве основы янтарного светодиода кристалла GaN синего свечения, покрытого люминофором. Это так называемый Phospor-Converted Amber, сокращенно PCA. Здесь и светоотдача как минимум вдвое выше, чем при использовании GaAsP, и ширину спектра, при необходимости, можно сделать намного больше. Технология формирования янтарного, как и других цветовых оттенков при помощи люминофора известна давно, но интерес к ней увеличился в связи с обнаружившимся неприятием спектра уличного светодиодного освещения жителями некоторых американских городов, привыкших к ДНаТ. PCA-светодиоды, PCA-светодиодные матрицы, а также светильники на их основе стали одной из главных тем прошедшей в марте 2018 года в немецком городе Франкфурте-на-Майне выставке Light+Building.

Переход от использования кристаллов GaAsP к PCA-технологии позволил достичь для янтарных светодиодов светоотдачи 135 лм/Вт, что уже сопоставимо с лампами ДнаТ.

Принципиальным моментом для янтарного светодиода является использование такого люминофора, который бы полностью поглощал синее излучение чипа. В современных PCA-светодиодах используются люминофоры на основе нитридной керамики, например, нитрида алюминия. Такие соединения отличаются устойчивостью к повышенным температурам. Это означает, что в PCA-светодиодах процесс деградации люминофора происходит гораздо медленнее, чем в светодиодах белого свечения.

Важно понимать, что светодиод белого свечения с пониженной цветовой температурой отличается от PCA-светодиода с люминофором тем, что в первом случае в спектре присутствует (в ослабленном виде) синяя составляющая, во втором случае ее нет. При этом к PCA-светодиоду также применимо понятие кореллированной цветовой температуры, обычно она равна 1800 K.

Применение в автомобилях

Широкое использование PCA-светодиодов началось с автомобильных противотуманных фар. Для того, что-бы лучи такой фары «пробились» сквозь туман, нужно, во-первых, распределение света преимущественно в горизонтальной плоскости, и, во-вторых, особый спектр излучения. Первое из условий применительно к светодиодам без проблем реализуется путем размещения их в ряд и применения специальной оптики.

Второе условие определяется самим спектром янтарных светодиодов. Ранее в противотуманных фарах использовались галогенные лампы с желтыми светофильтрами. В сочетании с «теплым» оттенком галогенных ламп такой фильтр давал «янтарный» оттенок, соответствующий спектру, оптимальному для противотуманной фары. Данный подход, предусматривающий значительные потери в светофильтре, неприемлем для электромобилей, так как подобная фара будет ускорять разряд аккумулятора. А вот применение PCA-светодиодов обеспечивает экономию электроэнергии не только потому, что такой источник света превосходит галогенные лампы по светоотдаче, но и потому, что излучаются только «нужные» спектральные составляющие и фильтр, вносящий потери, не требуется. Выигрыш по энергопотреблению относительно галогенных фар при том же световом потоке может достигать 5 раз.

Следует иметь в виду, что в нашей стране противотуманные фары относятся к оборудованию, подлежащему сертификации. На момент написания статьи не было известно о каких-либо автомобильных фарах на основе янтарных светодиодах, сертифицированных для использования в России. Поэтому использование таких фар у нас пока находится под вопросом.

Уличное и архитектурное освещение

Для архитектурной подсветки выпускаются как узконаправленные прожектора, так и прожектора заливающего света на основе PCA-светодиодов и PCA-матриц. Ни внешне, ни по конструкции они ничем не отличаются от аналогичных цветных прожекторов и прожекторов белого свечения.

Применение PCA-светодиодов для уличного освещения можно условно разделить на три направления.

Первое направление — использование янтарных светодиодов вместо натриевых ламп. В качестве при-мера можно привести испанскую компанию IGNIA Lighting, выпускающую уличные светодиодные светильники как белого, так и янтарного свечения.

Светоотдача лучших PCA-светодиодов достигает 135 лм/Вт, что приблизительно соответствует лампам ДНаТ средней ценовой категории мощностью 400 Вт. В IGNIA Lighting утверждают, что они используют светодиоды именно с такой светоотдачей. Выигрыша по энергопотреблению можно получить лишь за счет диммирования светильников «умной» системой. Другое преимущество использования янтарных светодиодов — стабильный спектр, что очень важно для объектов, привлекающих внимание туристов.

Второе направление — уличные светильники с «дежурным» режимом. Активно развивается финской компанией Lumous. В таких светильниках установлены светодиоды нейтрального белого и янтарного оттенков. При обнаружении вблизи светильника на проезжей части движущейся машины включаются одновременно обе группы светодиодов. Но когда на дороге машин нет, светильник переходит в «дежурный режим» и работают только светодиоды янтарного оттенка. В таком режиме светильник не оказывает негативного действия на экологию. Энергосбережение в таком варианте возможно даже при автономной работе светильника. Недостатком данной системы является то, что в крупных городах, где есть интенсивное автомобильное движение ночью, такой светильник постоянно будет светиться белым светом.

Третье направление — использование в светильнике PCA-светодиодов вместе с зелеными и красными. Получается сочетание цветов Red-Green-Amber (RGA). Пер-вопроходцем стала голландская компания Innolumis. Идея заключается в том, чтобы создать светодиодный светильник, не содержащий в своем спектре синей составляющей, но при этом превосходящий ДНаТ по цветопередаче. Таким образом, светодиодный светильник получает важное преимущество при использовании в местах, где стоят камеры видеонаблюдения. Например, RGA-светильник позволит более точно определить цвет одежды человека или же цвет машины, чем светильники на основе ДНаТ. Качество картинки при видеонаблюдении также будет выше за счет того, что в светодиодных светильниках Innolumis практически полностью отсутствуют пульсации. Также применение светодиодов дает простор фантазии дизайнерам светильников, что важно для освещения пространств, прилегающих к туристическим достопримечательностям.

В итоге получается продукт, четко позиционируемый для городских парков и мест скопления туристов. Светоотдача предлагаемых Innolumis светильников на основе PCA-светодиодов составляет всего 70–80 лм/Вт, что намного меньше, чем у натриевых. Тем не менее, такую же светоотдачу имеют светильники с металлогалогенными лампами, которые сейчас используются в парках.

Интерьерное освещение

В интерьерном освещении PCA-светодиоды применяются в основном для декоративной подсветки. Большой популярностью пользуются светодиодные ленты янтарного свечения. Отличить PCA от GaASP светодиодов применительно к лентам ведущих производителей можно по надписи Super Amber или Super Bright Amber.

Известная шведская компания Fagerhult недавно выпустила светильник Hydro LED, предназначенный для использования в медицинских целях. Он имеет режим Amber Night Light, при котором работают только PCA-светодиоды. Этот режим нужен в ситуациях, когда в ночное время требуется обеспечить освещение в больничной палате. Освещение янтарного цвета создает ощущение комфорта, при этом практически не воздействует на естественные ритмы человека.

Выводы

PCA-светодиоды пока не могут превзойти по светоотдаче натриевые лампы, которых они, по идее, должны заменить в применениях, где критичен спектр излучения. Поэтому такие светодиоды пока можно рассматривать как «нишевой» продукт для специализированных применений: интеллектуальное, садово-парковое, медицинское и некоторые другие виды освещения.

Тем не менее, упоминавшиеся компании INGIA Lighting и Innolumis уже успешно поставляют светильники на основе PCA-светодиодов для муниципальных нужд в своих странах. Возможно это связано с тем, что в Испании и Нидерландах большое внимание уделяется развитию туризма, поэтому приходится искать разумный баланс между энергоэффективностью и качеством освещения.

Литература: Васильев А. Осторожно, светодиоды! // Электротехнический рынок, № 1, 2018 — с. 62–66