Высокомощная лампа с переменным спектром
HIGH POWER VARIABLE SPECTRUM LAMP

Настоящее изобретение относится к средствам освещения растений в защищенной среде, в частности может быть использовано для выращивания рассады, овощей или цветов в домашних или промышленных условиях, а также в других областях народного хозяйства, где требуется индивидуальная подсветка.
Известен светодиодный фитопрожектор [RU №2369086 С1, опубл. 10.10.200], выполненный в виде прямоугольной рамы, изготовленной из П-образного швеллера, светодиоды расположены на платах, платы установлены в один ряд в прозрачных герметичных плафонах, плафоны установлены внутри корпуса с зазором относительно друг друга в несколько параллельных рядов так, что центральные оси световых потоков светодиодов направлены в одну сторону к лицевой поверхности корпуса и перпендикулярно его плоскости.
Недостатками данного технического решения являются низкая интенсивность светового потока из-за использования маломощных светодиодов, а также отключения части диодов для реализации переменного спектра. К тому же средство дорогое, поскольку используется программируемый контроллер и дорогие цветные светодиоды, которые в несколько раз дороже синих.
2
Известно устройство, обеспечивающее положительный эффект в выращивании растений в специально защищенной среде [RU №2530488 С2, опубл. 10.10.2014), содержащее компьютер с интерфейсом, управляющее устройство, блок энергоснабжения, по меньшей мере, одну лампу, вентилятор для охлаждения светодиодных элементов и подачи СО или азота (N) из резервуара, присоединенного через соответствующую магистраль. Причем лампа состоит из стойки с трубчатым соединением и подставки с прикрепленным к ней плафоном, в центре верхней поверхности которого имеется отверстие. На боковых поверхностях симметрично расположены светодиодные элементы со светодиодами и теплообменниками, светодиодный драйвер, вентиляционные отверстия и соединительная панель. При этом управляющее устройство состоит из: модуля для создания базовой последовательности прямоугольных импульсов с предварительно заданной частотой и регулирования их продолжительности, то есть соотношения сигнал/пауза; модуля для определения числа импульсов, соответствующих отдельным цветам, и их положения в промежутки времени Tfs и Tfp для фотосинтетического и фитопрофилактического спектров, а также базовой частоты fo излучения; и модуля для ручного выбора режима и ввода данных. Изобретение обеспечивает улучшение роста и урожайности растений путем обеспечения дополнительного освещения с его регулированием в теплицах.
Недостатками данного технического решения является использование сложного и дорогого блока управления светодиодов, а также дорогих светодиодов для генерации переменного спектра излучения. К тому же, переменный спектр возможно реализовать лишь отключая часть светодиодов и включая другие, поэтому достигается не максимальная интенсивность. Мощность светодиодов в такой лампе тоже ограничена, поскольку на единице площади необходимо разместить много разных светодиодов, которые по своим геометрическим размерам должны быть минимальны. Стоимость лампы очень высока, в связи с тем, что требуются особые контроллеры тока для разных диодов, поскольку разное напряжение на красных и синих диодах, в ином случае страдает долговечность лампы, диоды перегораю, а также диоды красного и других цветов примерно в 2-10 раз дороже синих.
Известен регулируемый источник света, светильник для широкомасштабного архитектурного освещения [RU №2485396 С2, опубл. 20.06.2013). Система содержит первое осветительное устройство и второе осветительное устройство, при этом образуя между ними первый зазор. Как первое, так и второе осветительные устройства содержат множество СИДов, при этом первое осветительное устройство генерирует излучение, имеющее спектр, отличный от спектра излучения второго осветительного устройства. Задняя поверхность первого и второго осветительных устройств термически соединена с теплорассеивающими конструкциями. В корпусе размещен контроллер, подключенный к СИД источникам света и выполненный с возможностью управления интенсивностью и суммарным воспринимаемым цветом и/или цветовой температурой излучения, генерируемого системой. Корпус контроллера образует второй зазор с теплорассеивающими конструкциями первого и второго осветительных устройств, соединенный с первым зазором для обеспечения прохождения потока окружающего воздуха через систему освещения. Светильник обеспечивает высокую мощность и переменный спектр, однако его недостатками являются использование сложного дорогого контроллера управления диодами, а также выхода из строя всей лампы при выходе из строя всего одного мощного светодиода, поскольку спектр лампы без него больше нельзя регулировать в прежних пределах.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, взята лампа с регулируемым источником света [WO 2012125806 А2, опубл. 20.09.2012]. Согласно патенту переменный спектр достигается за счет расположения люминофора или фильтра или любого другого изменяющего спектр вещества, перед источником света на некотором расстоянии. При этом предложена возможность автоматического перемещения пластины, с нанесенной на ней вещества переменной концентрации, чем и достигается смена спектра.
В заявляемом техническом решении также используются люминофоры, которые преобразуют энергию синего диода (450 нм) в свет других длин волн (450-2000 нм). На стеклянную пластину наносят разные рисунки из разных люминофоров и разной концентрации, согласно требуемой смене спектра для роста конкретного растения. Аналогично прототипу пластина может перемещаться или вручную или автоматически, при этом в нашем случае выбрано поступательное движение, для простоты программирования рисунка люминофоров и смены спектра. Важным отличием является использование высокомощного источника света (диод 450 нм). Это исключает использование фильтров, поскольку они будут перегреваться и лопаться, а также предъявляет особые требования для люминофоров - их квантовый выход должен быть очень высокий (более 90-95%), иначе они также будут перегреваться. Известно, что самый лучший промышленный красный люминофор имеет квантовый выход 70-75% и его нельзя использовать в высокомощных лампах. Для хорошего теплоотвода можно использовать технологию люминофора в стекле или прозрачную керамику, однако эти технологии сложны в применении, дороги, и на данный момент практически не используются, хотя изобретены давно. Для решения этой проблемы в заявляемом техническом решении использовано воздушное охлаждение таким образом, чтобы холодный воздух обдувал пластину с люминофором с двух сторон и параллельно плоскости пластины, для максимального теплоотвода, при помощи специального переходника, выполненного из термостойкого материала. В заявляемом решении в качестве термостойкого материала выбран пластик, с целью удешевления стоимости конструкции. Эта же система охлаждения параллельно обдувает и корпус лампы, что позволяет сделать ее радиаторы и корпус минимальной площади, это в свою очередь позволяет располагать высокомощные лампы близко друг к другу, достигая высоких потоков света, необходимого для светолюбивых растений. При этом длительные эксперименты на прототипе (непрерывно 24/7 в течение 3 недель) с использованием красного люминофора инкапсулированного в силикон и нанесенного на стекло, показали, что никаких признаков деградации, чернения люминофора или силикона или стекла не существует. Поэтому такое воздушное охлаждение позволяет использовать простую и дешевую схему нанесения люминофора с низким квантовым выходом на стекло и использовать любые длины волн, включая ИК диапазон, поскольку ИК люминофоры также имеют низкий квантовый выход.
Техническим результатом изобретения является увеличение интенсивности светового потока за счет создания дешевой лампы высокой мощности с переменным спектром.
Технический результат достигается тем, что высокомощная лампа с переменным спектром характеризуется тем, что включает светоизлучающее устройство и картридж со стеклами, который может перемещаться относительно светового пути, излучаемого светоизлучающим устройством, люминофоры, изменяющие длину волны падающего на них света, при этом в качестве светоизлучающего устройства используется высокомощный диод с длиной волны 450 нм, люминофоры инкапсулированы в силикон и нанесены на стекла, установлен также вентилятор с переходником для разделения потока воздуха от вентилятора на часть потока для обдува стекол с люминофорами и часть потока воздуха для корпуса лампы, а картридж может перемещаться автоматически с использованием шагового двигателя. Также картридж можно создавать с любым рисунком люминофором, реализуя изменения спектра практически из любой точки цветовой диаграммы CIE в любую другую, при этом добавляя ближнее ИК излучение, которое имеет большое значение в определенное время роста растений. При этом возможно использовать люминофоры с низким квантовым выходом, в частности ИК люминофоры.
Высокомощная лампа с переменным спектром поясняется чертежом. На фиг. представлена схема высокомощной лампы с переменным спектром.
Высокомощная лампа с переменным спектром включает в себя синий или фиолетовый диод (1), источник тока диода (2), источник тока для вентилятора (3), алюминиевый корпус лампы, являющийся радиатором охлаждения (4), вентилятор охлаждения (5), картридж (6) со стеклами с нанесенными на них люминофорами, инкапсулированными в силикон (7), переходник для разделения потока от вентилятора на часть потока для обдува стекла с люминофорами, и часть потока воздуха для корпуса лампы (8), стопорные винты (9), возможный шаговый двигатель (опция) для автоматизации процесса смены спектра (10).
Для работа лампы используется дешевый, но высокомощный синий диод с длиной волны излучения 450 нм и высокой мощностью, например 100 Вт, в качестве накачки удаленных люминофоров с максимумом люминесценции в широком интервале длин волн от видимого (450-780 нм), до ближнего инфракрасного излучения (780-2000 нм) с разной шириной профиля люминесценции от 10 до 500 нм.
Для генерации переменного спектра при этом не требуется сложных контроллеров и программ, достаточно простого источника тока, например 100 Вт, питающего один высокомощный синий диод.
3+
2+
3
Для генерации других длин волн используются люминофоры, например, можно использовать промышленно выпускаемый иттрий алюминиевый гранат допированный церием (YAG:Ce), излучающий широкополосное излучение с максимумом длины волны ~550 нм и квантовым выходом 98-99% при накачке синим диодом 450 нм, и стронций алюминиевый нитрид допированный европием (SrAlSiN:Eu) с максимумом длины волны люминесценции ~630 нм и квантовым выходом ~70-75% при накачке синим диодом 450 нм.
4+
3+
3+
2+
3
Также могут быть использованы люминофоры, излучающие ближний инфракрасный свет при накачке 450 нм, например, люминофоры допированные Mn или Cr. Данные люминофоры могут быть инкапсулированы силиконом Sylgard 184 в пропорции 2 г силикона, 0.2 г отвердителя и 0.4 г люминофора, и нанесены на одно стекло. В качестве стекла может быть использовано предметное лабораторное стекло для микроскопов 26*76*1 мм. Из шести или более таких стекол собирается узор, требуемый для генерации переменного спектра, например три подряд стекла с белым люминофором YAG:Ce и три подряд с красным люминофором SrAlSiN:Eu собранные вместе позволяют создать переменный спектр от белого до красного. В эти наборы можно добавлять люминофоры ближнего инфракрасного излучения, формируя, например, переменный спектр от красного или бело-красного излучения до красного+ ближнего инфракрасного излучения или бело-красного+ ближнего инфракрасного излучения и т.д. Такие составные стекла зажимаются в пластмассовый картридж, распечатанный на 3D принтере УФ-стойким, термостойким и безвредным для здоровья пластиком HIPS (высокоимпактный полистирол). Картридж с таким составным стеклом в свою очередь расположен на небольшом расстоянии (5-10 мм) от синего диода и может перемещаться относительно диода в одном направлении по корпусу лампы, то удаляясь, то приближаясь к нему, формируя переменный спектр, записанный в узоре расположенных стекол. Люминофоры, как и корпус лампы, обдуваются вентилятором, тем самым обеспечивая низкую температуру люминофора, стабильность длины волны излучения, отсутствие деградации люминофора, пузырения и чернения силикона, даже при очень сильном облучении высокомощным диодом, что необходимо для стабильной и долгой работы. В качестве корпуса лампы может быть использована труба с прямоугольным профилем, позволяющем продувать воздух сквозь лампу. Для диода мощностью 100 Вт использовано четыре профиля 20*80 мм толщиной стенки 2 мм и длиной 25 см. В одном профиле сделан вырез вдоль одной из широких сторон, что является окном лампы. Остальные три профиля прикреплены винтами к предыдущему, как показано на прототипе (Фиг. 1). В качестве вентилятора используют маломощный 5 В, 1 Вт вентилятор размером 80*80 мм.
Высокомощная лампа с переменным спектром работает следующим образом. Включается синий диод (1) через источник тока (2) и вентилятор (5) через источник тока (3). Картридж (6) с люминофорами (7) разблокируется из стабильного зажатого положения откручиванием стопорных винтов (9), после чего вручную может перемещаться внутри лампы в горизонтальном направлении, меняя относительное расположение разных люминофоров (7) перед синим диодом (1), тем самым реализуя переменный спектр. После ручного перемещения картридж (6) фиксируется закручиванием стопорных винтов (9). Также есть возможность автоматически перемещать картридж со стеклами при помощи шагового двигателя (10), для этого не нужны стопорные винты (9). Для смены спектра нужно повторить эту процедуру, выбрав другое положение картриджа. Компактный корпус лампы (4) охлаждается потоком воздуха посредством вентилятора (5) через переходник (8). Люминофоры (7) в картридже (6) также обдуваются вентилятором (5) через переходник (8), тем самым обеспечивая их низкую температуру, стабильность длины волны излучения, отсутствие деградации люминофора даже при очень сильном облучении высокомощным диодом (1).
Предлагаемое техническое решение позволяет менять спектр, при этом картриджи для него можно создавать с любым рисунком люминофором, реализуя изменения спектра практически из любой точки цветовой диаграммы CIE в любую другую, при этом добавляя ближнее инфракрасное излучение, которое имеет большое значение в определенное время роста растений.
Заявляемая конструкция высокомощной лампы с переменным спектром позволяет обдувать люминофор со стеклом с двух сторон, вследствие чего возможно:
- использовать люминофоры с низким квантовым выходом, в частности ИК люминофоры;
- инкапсулировать люминофор просто в силикон и наносить на стекло, не прибегая к созданию люминофора в стекле или прозрачной керамики, что является дорогостоящим процессом; - максимально близко расположить стекло с люминофорами к диоду, повышая эффективность лампы.