СВЕТИЛЬНИК Российский патент 2018 года по МПК F21Y113/13 

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 длиной волны 660 нм, шесть оранжевых светодиодов длиной волны 612 нм и один синий светодиод 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 длиной волны от 400 нм до 500 нм, а светодиоды второго типа излучали в области красного цвета длиной волны от 600 нм 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 световыращивательными 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 спектры, составляющие набор отобранных светодиодов, перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона, предпочтительно, на уровне 0,5 от максимальной амплитуды, причем использованы два теплых белых и один зеленый светодиоды с мощностью излучения 10 Вт каждый, синий, голубой, два светодиода полного спектра и по одному светодиоду глубокий красный и инфракрасный светодиоды с мощностью излучения 3 Вт каждый.

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 обеспечивает светильнику спектр излучения соответствующего солнечному свету, причем отличительные признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение нижеследующего комплекса функциональных задач:

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 два теплых белых и один зеленый светодиоды с мощностью излучения 10 Вт каждый, синий, голубой, два светодиода полного спектра и по одному светодиоду глубокий красный и инфракрасный светодиоды с мощностью излучения 3 Вт каждый», обеспечивают формирование светильником спектра излучения, близкого к солнечному свету.

На фиг. 1 показана таблица 1, в которой приведены спектры излучения и характеристики промышленных светодиодов; на фиг. 2 показаны спектры отдельных промышленных светодиодов; на фиг. 3 изображен спектр излучаемой мощности набора светодиодов, измеренной прибором спектрофотометр "ТКА-Спектр"; на фиг. 4 показаны спектры излучений солнца и двух типов матрицы 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 (см. табл. 1).

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). Таким образом, если известен спектр солнечного излучения, то, подбирая различные светодиоды с разным спектром и разной интенсивностью, можно получить источник света, очень похожий по своему спектру на солнечное излучение.

Моделируемый диапазон фотосинтетически активной радиации солнечного спектра, составляющего порядка 400-800 нм, реализуется набором светодиодов следующего состава: теплый белый с мощностью излучения 10 Вт 2 шт.; GR - зеленый длиной волны 520-525 нм и мощностью излучения 10 Вт - 1 шт.; Blue - синий длиной волны 460 нм и мощностью излучения 3 Вт - 1 шт.; Cyan - голубой длиной волны 490 нм и мощностью излучения 3 Вт - 1 шт.; FS - полный спектр длиной волны 380 и 840 нм и мощностью излучения 3 Вт - 2 шт.; IR730 - инфракрасный длиной волны 730 нм и мощностью излучения 3 Вт - 1 шт.; DR - глубокий красный 640 нм мощностью излучения 3 Вт - 1 шт. При этом названные светодиоды перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона, предпочтительно, на уровне 0,5 от максимальной амплитуды.

По каждому типу светодиодов были сняты спектральные и энергетические параметры, которые позволили сформировать первое приближение светильника к солнечному спектру. В качестве примера было выбрано 7 типов светодиодов с разными спектрами, которые перекрывались друг с другом в разных спектральных участках (фиг. 2). Для подбора приемлемой мощности излучения были сформированы две линии с отдельными токовыми драйверами:

- питание от драйвера с током 300 мА WW - 2 шт.; GR - 1 шт.; Blue - 1 шт.; Cyan - 1 шт.; DR - 1 шт.;

- питание от драйвера током 600 мА FS - 2 шт.; IR730 - 1 шт.

Все светодиоды в каждой линии соединялись последовательно, поэтому напряжение на концах первой линии было 40,8 В; на концах второй линии 8,9 В. Соответственно потребляемая мощность была равна 12,24 Вт и 5,34 Вт. Суммарная потребляемая мощность равнялась 17,54 Вт.

На фиг. 3 изображена кривая получившейся излучаемой мощности набора светодиодов, измеренная прибором спектрофотометра "ТКА-Спектр", который позволяет измерять частотные и энергетические характеристики электромагнитного излучения в диапазоне частот 400-800 нм. По вертикальной оси ординат показана мощность излучения каждой спектральной составляющей в единицах измерения: мВт/м². Измерения проводились спектрофотометром "ТКА-Спектр", на расстоянии 400 мм от центра набора светодиодов по их оси. При этом ФАР облученность в диапазоне 400-800 нм составляла Ee(PAR)=6.66 Вт/м².

В качестве другого примера на фиг. 4 приведен спектр солнца и двух вариантов реализации матрицы солнечного спектра.

Для того чтобы спектр получившейся матрицы не имел волнообразный характер, а был бы равномерным (как на кривой Солнечная матрица 2, фиг. 4), 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, как на кривой Солнечная матрица 1). Волнообразность приводит к отличию от спектра солнца, хотя в среднем энергия будет такая же.

Уровень излучения световой энергии у всех светодиодов должен быть примерно одинаковый, иначе результирующего равномерного спектра не получится. Для этого необходимо подбирать количество светодиодов одного цвета таким образом, чтобы суммарный уровень излучения равнялся уровню излучения самого интенсивного светодиода в матрице. Для регулировки мощности также можно использовать не суммарное количество одних и тех же монохромных светодиодов, а регулировать силу тока, проходящего через один мощный светодиод, мощность которого перекрывает мощность суммы более слабых светодиодов. Но тогда сам светодиод будет работать не в полную силу и это приведет к удорожанию матрицы. Например, есть светодиод синий (максимальная мощность на частоте 440 нм равна 10 Вт/м²), зеленый (максимальная мощность на частоте 550 нм равна 13 Вт/м²), красный (максимальная мощность на частоте 640 нм равна 20 Вт/м²). Тогда в матрице надо подбирать мощности излучения всех светодиодов таким образом, чтобы на частоте с максимальной мощностью излучения, каждый из них излучал бы по 20 Вт/м². Т.е. в данном примере, к зеленому светодиоду мощностью 13 Вт надо добавить еще зеленые светодиоды меньшей мощности с суммарным значением 7 Вт. Для синего светодиода можно взять два одинаковых по 10 Вт или один по 10 Вт и еще десять по 1 Вт.

Промышленность выпускает светодиоды номиналами 1, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100, 150, 200, 300 Вт, поэтому подобрать нужное количество светодиодов так, чтобы каждый работал на полной мощности, не является проблемой. При этом каждый светодиод со своим номиналом будет работать с максимальной эффективностью.

Светильник, содержащий набор известных светодиодов с разными спектрами излучения, лежащими в диапазоне порядка 400-800 нм, снабженных драйверами, отличается тем, что спектры, составляющие набор отобранных светодиодов, перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона, предпочтительно, на уровне 0,5 от максимальной амплитуды, причем использованы два теплых белых и один зеленый светодиоды с мощностью излучения 10 Вт каждый, синий, голубой, два светодиода полного спектра и по одному светодиоду глубокий красный и инфракрасный светодиоды с мощностью излучения 3 Вт каждый. Изобретение обеспечивает светильнику спектр излучения, соответствующий солнечному свету, при минимизации общего количества используемых светодиодов. 4 ил.

Светильник, содержащий набор известных светодиодов с разными спектрами излучения, лежащими в диапазоне порядка 400-800 нм, снабженных драйверами, отличающийся тем, что спектры, составляющие набор отобранных светодиодов, перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона, предпочтительно, на уровне 0,5 от максимальной амплитуды, причем использованы два теплых белых и один зеленый светодиоды с мощностью излучения 10 Вт каждый, синий, голубой, два светодиода полного спектра и по одному светодиоду глубокий красный и инфракрасный светодиоды с мощностью излучения 3 Вт каждый.