Исследование видимости объектов наблюдения в осветительных установках со светодиодами

Введение

 

          В современной  практике светотехнического нормирования  осветительных установок определение оптимальных условий освещения возможно при наличии методов оценки влияния качественных и количественных показателей освещения на зрительную работоспособность. Одним из основных качественных показателей освещения является распределение излучения по поверхности объектов наблюдения и в пространстве. Комплексной характеристикой осветительного варианта, учитывающей в полной мере влияние условий освещения на работающего, является видимость. В условиях постоянства яркости на рабочей поверхности видимость объектов с диффузным отражением может изменяться в достаточно широких пределах при вариации пространственного распределения излучения, падающего на объект. Решение этих задач требует наличия метода, позволяющего учитывать влияние распределения излучения в пространстве при нормировании и проектировании осветительных установок. Определение оптимальных условий освещения напряжённых зрительных работ целесообразно проводить по видимости объектов наблюдения. Наличие несложной методики измерения видимости любых объектов наблюдения непосредственно в производственных условиях делает этот метод нормирования удобным для практического использования при разработке отраслевых норм искусственного освещения промышленных предприятий.

          В данном дипломном проекте  для оценки условий освещения  использован метод измерения видимости. Он наиболее чувствителен к изменению качественной стороны освещения и позволяет быстро выявить все взаимосвязи качественной и количественной сторон, учесть влияние таких факторов, как блёскость, неравномерность освещения и т. д., и определить наиболее оптимальные условия освещения.

          Целью настоящего дипломного  проекта является исследование видимости объектов наблюдения в зависимости от  пространственного распределения излучения, освещённости     объекта наблюдения, контраста объекта с фоном  и

 

продолжительности зрительной работы.

          Для  решения поставленной задачи  необходимо:

          - исследовать влияние направления  излучения, создаваемого СИД и  ЛН, на видимость объектов;

          - исследовать  влияние контраста объекта с  фоном на видимость диффузных объектов наблюдения;

          - исследовать  изменение  видимости диффузных объектов наблюдения в зависимости от степени сложности зрительной задачи;

          - установить  влияние уровня освещенности  и продолжительности работы  на видимость объекта с фоном;

          - провести  сравнительный анализ видимости  объектов при освещении СИД и ЛН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Методики оценки условий освещения

 

1.1 Тенденция развития светодиодного излучения

В настоящее время  светоизлучающие диоды (СИД) находят  применение в осветительной технике.

Основные и наиболее крупные  достижения в технологии светоизлучающих диодов (СИД)  произошли в последние пять лет [21,с.32]. В 1992 году благодаря использованию светящегося слоя на основе фосфида галлия (GaP) был достигнут прорыв в технологии СИД : η=25 лм/Вт в оранжевой части спектра и η=12 лм/Вт в жёлто-зелёной. Однако поистине революционное свершение произошло в сине-зелёной части спектра. Синтез СИД синего цвета свечения был впервые произведён фирмой Nichia (Япония) в 1994 г. при использовании многослойной структуры GaN на сапфировой подложке, со η=10 лм/Вт [22,с.67]. Тогда же были представлены зелёные СИД на основе нитрида галлия GaN со η=20лм/Вт. В конце 1999 года для красного СИД на основе AlJnGaP ( =611 нм) была получена η=102лм/Вт [21,с.91].

Первый шаг к созданию высокоэффективных СИД, пригодных для использования в светосигнальных приборах и приборах дистанционного управления был сделан в результате разработки Ж.И.Алферовым с сотрудником концепции  многопроходных двойных гетероструктур в системе GaAlAs [23,с13].

СИД представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые ИС, в которых излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». В СИД используются полупроводниковые материалы высокой чистоты, лигированые малыми количествами контролируемых примесей, создающих избыток электронов (материал n-типа), либо их  недостаток, т.е.  избыток «дырок», которые ведут себя  подобно положительным зарядам (материал р-типа). В месте контакта р-и n-материалов образуется полупроводниковый р-n-переход. Если к р-n-переходу приложить постоянное напряжение в несколько вольт прямой полярности, то приложенное  поле  будет  заставлять  перемещаться  электроны  и  «дырки»  навстречу друг к другу и они будут рекомбинировать в зоне контакта, частично испуская при этом фотоны. Спектр излучения зависит от материала полупроводника и вводимой примеси [11,с.60].

Белое свечение, как известно, может  быть получено только смешением красного,  зелёного и  синего  цветов. СИД  белого  свечения  были получены

Ш. Накамурой на основе синего свечения кристаллов из JnGaN и люминофорного покрытия, содержащего алюмоитриевый гранат. Существует 4 способа создания белых СИД со своими достоинствами и недостатками:

а) смешение излучения СИД трёх или более цветов (RGB). В принципе такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого из СИД красного, зелёного или голубого можно выбрать значения тока, соответствующего максимуму его внешнего квантового выхода. Но при этих I и V интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям необходимым для результирующих цветовых координат в области белого цвета. Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ встречает  неудобства, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких СИД;

          б) белое  свечение может быть получено  также при использовании в  конструкции СИД трёх излучающих  кристаллов: красного, зелёного и синего свечения. Однако такой СИД дороже белого СИД, содержащего один кристалл синего свечения и люминофор;

в) смешение голубого излучения СИД  с излучением либо жёлто-зелёного, либо зелёного и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучателем. Эти способы наиболее просты и в настоящее время наиболее экономичны. Состав кристалла с гетероструктурами на основе JnGaN/GaN, подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам  излучения  люминофоров. Кристалл  покрывается слоем геля с порошком люминофора так,

 чтобы часть голубого излучения  возбуждала люминофор, а часть  - проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы спектр имел белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас используется несколько различных люминофоров для белых СИД;

         г) смешение  излучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых  УФ СИД. Этот способ использует  принципы и люминофоры, хорошо разработанные в течение многих лет для ЛЛ. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от СИД в люминофорах. Кроме того эффективность ИИ уменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ спектру излучения кристалла СИД.

Суммирование излучения СИД  более трёх цветов даёт возможность  получить белый свет с индексом цветопередачи  Ra близким к 100%. Индекс цветопередачи для суммы голубого излучения СИД с излучением жёлто-зелёного люминофора ниже, чем для других способов, но он может быть улучшен применением дополнительного оранжево-красного люминофора.

Характерные спектры белых СИД показаны на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Характерный   спектр  излучения СИД белого  свечения

         Достигнутая световая отдача  СИД с белым свечением η=25 лм/Вт. Эта величина превосходит световую  отдачу ЛН, что делает возможным  замену ЛН белыми светодиодами.

         По сравнению с тепловыми ИС СИД имеют очень маленькие размеры и мощность  не более 10 Вт. Для них требуется питание только постоянным током с соблюдением полярности. Излучение СИД может модулироваться с большой частотой и в широком диапазоне линейно изменяется с величиной питающего тока без существенного изменения цветности. Низкое напряжение питания, малые размеры, большой срок службы  и «холодный» свет с широкой цветовой гаммой обеспечили массовое использование СИД в качестве индикаторных элементов, управляемых непосредственно от современной электроники, особенно в приборах с питанием от батареек [23,с69].

          Стандартный  срок службы каждого СИД 50-100 тыс. ч. Срок службы СИД мало  зависит от небольших перегрузок  напряжения, рабочего положения или механических воздействий.

          Следовательно,  светодиодный светильник должен  иметь не только большой срок службы, в отличии от обычных ИС, но и значительно большую надёжность в течение этого срока.

           Низкая  рабочая температура СИД - системы  позволяет использовать в них оптику и детали корпуса, изготовленные из полимеров, что также снижает стоимость [21,с.122]. В этом отношении СИД значительно превосходят ЛН, особенно при использовании на подвижных объектах, в том числе и в автомобилях с их широким диапазонам рабочих температур.

         Вторая  группа «обычных» ИС включает  все РЛ ВД и НД. В спектре  излучения ГЛНД присутствуют  линии, типичные для наполняющего  газа. Такие ИС используются, прежде  всего, как цветные светящиеся  трубки (неоновые), особенно для рекламы. Кроме того, они долго использовались в качестве маломощных сигнальных ламп. В большинстве ГЛНД есть небольшое количество ртути, высокое напряжение зажигания всегда опасно для людей. Для таких применений СИД во всех случаях будут более предпочтительны, чем РЛ НД.

          Конкуренцию ЛЛ могут составить  СИД- модули, которые сейчас активно разрабатываются. Это может положить начало достижению эколого-политической цели- созданию безртутного освещения. Однако сейчас световая отдача СИД меньше световой отдачи ЛЛ.

          Простое  управление трёхцветными модулями  обеспечивает возможность изменять не только освещённость рабочих мест, но и цветность излучения. Светильники с использованием СИД - модулей, кроме того, могут быть очень простыми и иметь более высокие КПД, чем светильники с ЛН. Экономическое преимущество таких светильников может иметь место даже при меньших световых отдачах, если принимать во внимание затраты на ИС, светильники, эксплуатацию и замену ИС [21,с221].

          Светодиодные осветители содержат либо один кристалл (тип прибора

У-345Бл), либо три - соединённых последовательно (У-342Бл), либо четыре

(У-337Бл). Параметры осветителей приведены в таблице 1.1 [24,с.89].

             Таблица 1.1 - Электрические и световые светодиодные осветители  белого свечения при

Тип светодиод ного осветителя	Входные электричес-кие параметры			Световые параметры			, лм/Вт	мА
	,мА	,В не более	, Вт	Ф,лм	I,кд	,  град.
У-345Бл	350	4,0	1,3	15…28	30…50	25 5	22	400
У-342Бл	350	11,5	4	50…80	30…50	50 10	20	380
У-337Бл	700	7,5	5	70…100	50…60	50 10	20	750

Итак, обобщая всё выше сказанное  можно сделать выводы. Современные СИД излучают свет в диапазоне от УФ до дальней ИК области спектра. Действие большинства эффективных белых СИД основано на преобразовании УФИ (370 нм).

Преимущества светодиодных осветительных  приборов:

- световая отдача выше, чем у  ЛН и ГЛН, малое потребление  энергии и малое тепловыделение;

- возможность получения всех цветов свечения;

- низковольтность, безопасность при прикосновении;

      - хорошая сочетаемость с внешней оптикой;

      - отсутствие УФ  излучения и в ряде случаев-  ИК;

      - высокая механическая  прочность и надёжность;

           - высокое  быстродействие (наносекунды);

           - высокий  срок службы.