СВЕТИЛЬНИК
LUMINAIRE

Изобретение относится к осветительным устройствам, обеспечивающим освещение светом, максимально соответствующим спектру солнечного света, за счет использования светоизлучающих диодов.
Известен светильник, содержащий набор светодиодов с разными спектрами излучения, снабженных драйверами, при этом в составе светильника использованы двенадцать красных светодиодов с длиной волны 660 нм, шесть оранжевых светодиодов с длиной волны 612 нм и один синий светодиод с длиной волны 470 нм (см. US №6921182).
Известен также светильник, содержащий набор известных светодиодов с разными спектрами излучения, лежащими в диапазоне порядка 400-800 нм, снабженных драйверами (см. RU №2504143, 2014). При этом в составе светильника использованы по меньшей мере два типа светодиодов, причем предпочтительно, чтобы светодиоды первого типа излучали в области синего цвета с длиной волны от 400 до 500 нм, а светодиоды второго типа излучали в области красного цвета с длиной волны от 600 до 700 нм, причем свет, излучаемый первой группой светодиодов, состоит приблизительно из 80-90% красного света и 10-20% синего света.
Все перечисленные решения были направлены на получение оптимального сочетания длин волн для усиления темпов роста растений, а также снижение энергопотребления и увеличение срока службы, при технической реализации по сравнению с существующими свето-выращивательными технологиями, но не обеспечивают спектр излучения близкий к спектру солнца. Кроме того, сочетание длин волн, выбранных для усиления роста растений непривлекательно для людей, наблюдающих освещенное растение, этому также способствует то, что суммарный спектр такого источника света имеет резко неравномерный (волнистый) характер.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - обеспечение светильнику спектра излучения, соответствующего солнечному свету.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении светильнику спектра излучения, близкого к спектру излучения солнца, при минимизации общего количества используемых светодиодов.
Для решения поставленной задачи светильник, содержащий набор известных светодиодов с разными спектрами излучения, лежащими в диапазоне порядка 400-800 нм, снабженных драйверами, отличается тем, что из известных светодиодов с разными спектрами, отбирают светодиоды, спектр излучений которых находится в диапазоне 443-650 нм, при этом спектры отобранных светодиодов перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона, предпочтительно на уровне 0,5 от максимальной амплитуды, причем использованы 5 типов светодиодов мощностью 10W каждый, в том числе теплый белый, синий, голубой; зеленый и полный спектр, при этом драйверы светодиодов выполнены с возможностью подачи на них энергии с составляющей соответственно 1,4; 0,3; 0,3; 1,25 от уровня энергии, подаваемой на светодиод полного спектра.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
При этом совокупность признаков отличительной части формулы изобретения обеспечивают светильнику спектр излучения, соответствующего солнечному свету, причем отличительные признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение нижеследующего комплекса функциональных задач.
Признаки «из известных светодиодов с разными спектрами, отбирают светодиоды, спектр излучений которых находится в диапазоне 443-650 нм», обеспечивают максимально полное приближение к спектру солнечного света при минимальном количестве используемых типов светодиодов.
Признаки «спектры, составляющие набор отобранных светодиодов, перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона», способствуют выравниванию (снижению волнистости) суммарного спектра светильника.
Признаки, указывающие что спектры, составляющие набор отобранных светодиодов, перекрывают друг друга «предпочтительно на уровне 0,5 от максимальной амплитуды», также способствуют снижению волнистости суммарного спектра светильника.
Признаки, указывающие что «использованы 5 типов светодиодов мощностью 10 W каждый, в том числе теплый белый, синий, голубой; зеленый и полный спектр», обеспечивают формирование светильником спектра излучения, близкого к солнечному свету.
Признаки, указывающие что «драйверы светодиодов выполнены с возможностью подачи на них энергии с составляющей соответственно 1,4; 0,3; 0,3; 1,25 от уровня энергии, подаваемой на светодиод полного спектра.
На фиг. 1 показаны спектры излучения светодиодов, использованных в составе светильника; на фиг. 2 показан спектр суммарного излучения всех пяти светодиодов светильника, без корректировки уровня энергии, подаваемой на них. На фиг. 3 изображен суммарный спектр светодиодов светильника, приближенный к солнечному в первом приближении; на фиг. 4 показан итоговый спектр излучений светильника, подобный спектру солнечного спектра.
В настоящее время промышленность выпускает различные светодиоды с узкой и широкой полосой излучения, с пиком излучения, приходящимся на одну или несколько определенных частот света. Охвачен широкий диапазон частот света от УФ-излучения до далекого красного и инфракрасного света. Кроме того, имеются светодиоды белого света с различной цветовой температурой.
Идея заключается в следующем: имеется набор светодиодов с различными спектрами. Из них можно набрать линейку светодиодов с перекрытием спектральных кривых на уровне примерно 0,4-0,6 и тогда они, суммируя свои энергетические параметры, могут сформировать спектр, соответствующий солнечному свету (см. фиг. 3-4). Таким образом, если известен моделируемый диапазон спектра солнечного излучения, то подбирая различные светодиоды с разным спектром и разной интенсивностью, можно получить источник света, очень похожий по своему спектру на солнечное излучение.
Для того чтобы спектр светового излучения получившегося светильника не имел волнообразный характер, а был бы равномерным, надо чтобы спектры отдельных светодиодов были бы примерно одинаковой формы (ширины) и пересекались друг с другом на уровне 0,5 от максимума. Если, например, на частоте 500 нм есть два светодиода, излучающих максимум при 500 нм, а на уровне 0,5 ширина полосы излучения первого будет 50 нм, а второго 150 нм, то при суммировании с другими светодиодами появится неравномерность (волнообразный характер, что приводит к отличию полученного спектра от спектра солнца, хотя в среднем энергия будет такая же.
Моделируемый диапазон 443-650 нм из фотосинтетически активной радиации солнечного спектра, составляющей 400-800 нм, реализуется набором из пяти типов светодиодов мощностью 10W следующего состава: WW - теплый белый, GR - зеленый, Blue - синий, Cyan - голубой и FS - полный спектр (см. фиг. 1). При этом названные светодиоды перекрывают друг друга в разных спектральных участках моделируемого диапазона, предпочтительно на уровне 0,5 от максимальной амплитуды. По каждому типу светодиодов были сняты спектральные и энергетические параметры, которые позволили сформировать первое приближение излучения светильника к солнечному спектру.
2
2
2
2
Из табл. 1 видно, что у двух светодиодов имеется два пика излучения: Warm White - на частоте 447 нм (максимальная облученность равна 9,3 мW/ м), а на частоте 586 нм - 20,7 мW/м; У второго светодиода FS на частоте 443 нм - 8,2 мW/м, а на частоте 650 нм - 22,1 мW/ м.
2
Измерения спектра светодиодов (рис. 2) показало, что светодиоды Warm White, Green и FS имеют практически одинаковые максимумы и их спектры пересекаются друг с другом примерно на одинаковом уровне около 0,65-0,7. Отличие составляет всего 10%. Пиковые значения светодиодов Blue и Cyan больше упомянутых почти в 4-5 раз. Измерения проводились спектрофотометром "ТКА-Спектр" на расстоянии 500 мм от центра набора светодиодов по их оси. При этом ФАР облученность в диапазоне 400-800 нм составляла Ee(PAR)=6.66 W/м.
Если просто сложить спектры излучения всех светодиодов без изменения амплитуды или подводимой к светодиоду энергии, то получится суммарный спектр, изображенный на фиг. 2.
Видно, что в синей области спектра от 420 до 530 нм уровень излучаемой мощности необходимо снизить. Если на Blue и Cyan светодиоды подать примерно, в пять раз меньше энергии, то они будут излучать в пять раз слабее и суммарный спектр получится более приближенным к солнечному (фиг. 3).
Если же взять и подать на каждый светодиод через их драйверы энергию с коэффициентами приведенными в табл. 2, то получится спектр излучений, показанный на фиг. 4.
Для подбора приемлемой мощности излучения в первом приближении (фиг. 3) были сформированы три линии с отдельными токовыми драйверами:
- питание от драйвера с током 900 мА WW - 1 шт.; GR - 1 шт.; FS - 1 шт.;
- питание от драйвера током 500 мА Blue - 1 шт.;
- питание от драйвера током 330 мА Cyan - 1 шт.
Все светодиоды в каждой линии соединялись последовательно, поэтому напряжение на концах первой линии было 33,2 В; на концах второй линии -3,3 В; на концах третьей линии - 2,6 В. Соответственно потребляемая мощность была равна 29,88 Вт; 1,65 Вт и 0,858 Вт. Суммарная потребляемая мощность равнялась 32,388 Вт.
Для подбора приемлемой мощности излучения итогового спектра (фиг. 4) были сформированы четыре линии с отдельными токовыми драйверами:
- питание от драйвера с током 1000 мА WW - 1 шт.;
- питание от драйвера с током 890 мА GR - 1 шт.;
- питание от драйвера с током 710 мА FS - 1 шт.;
- питание от драйвера током 210 мА Blue - 1 шт., Cyan - 1 шт.