RU2661329C1

RU2661329C1 - Luminaire

Info

Publication number: RU2661329C1
Application number: RU2017101759A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Кульчин; Евгений Петрович Субботин; Михаил Иванович Звонарев; Людмила Леонидовна Попова
Original assignee: Общество с Ограниченной Ответственностью "Зеленая лаборатория"
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2018-07-13

Abstract

FIELD: lighting equipment.

SUBSTANCE: luminaire containing a set of known LEDs with different emission spectra lying in the range of about 400–800 nm, equipped with drivers, is characterized by the fact that the spectra composing a set of selected LEDs, overlap each other in different spectral regions of the range, preferably at 0.5 of the maximum amplitude, using two warm white and one green LEDs with a radiation power of 10 W each, blue, light blue, two full-spectrum LEDs and one LED each with a deep red and infrared LEDs with a radiation power of 3 W each.

EFFECT: invention provides the luminaire with an emission spectrum corresponding to sunlight, while minimizing the total number of LEDs used.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к осветительным устройствам, обеспечивающим освещение светом, максимально соответствующим спектру солнечного света за счет использования светоизлучающих диодов.The invention relates to lighting devices that provide illumination with light that most closely matches the spectrum of sunlight through the use of light-emitting diodes.

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).A known lamp containing a set of LEDs with different emission spectra equipped with drivers, the twelve red LEDs with a wavelength of 660 nm, six orange LEDs with a wavelength of 612 nm and one blue LED with a wavelength of 470 nm (see US No. 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.Also known is a luminaire containing a set of known LEDs with different emission spectra lying in the range of about 400-800 nm, equipped with drivers (see RU No. 2504143, 2014). At the same time, at least two types of LEDs are used in the luminaire, and it is preferable that the LEDs of the first type emit in the blue region with a wavelength of 400 nm to 500 nm, and the LEDs of the second type emit in the red region with a wavelength of 600 nm to 700 nm, moreover, the light emitted by the first group of LEDs consists of approximately 80-90% of red light and 10-20% of blue light.

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.All of these solutions were aimed at obtaining the optimal combination of wavelengths to enhance plant growth rates, as well as reducing energy consumption and increasing service life, with technical implementation in comparison with existing light-cultivating technologies, but they do not provide a radiation spectrum close to the spectrum of the sun. In addition, the combination of wavelengths chosen to enhance plant growth is unattractive for people observing an illuminated plant; this is also facilitated by the fact that the total spectrum of such a light source has a sharply uneven (wavy) character.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - обеспечение светильнику спектра излучения, соответствующего солнечному свету.The problem to which the invention is directed is to provide the lamp with a radiation spectrum corresponding to sunlight.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении светильнику спектра излучения, близкого к спектру излучения солнца, при минимизации общего количества используемых светодиодов.The technical result, which is manifested in solving the problem, is expressed in providing the lamp with a radiation spectrum close to that of the sun, while minimizing the total number of LEDs used.

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.To solve this problem, a lamp containing a set of known LEDs with different emission spectra lying in the range of 400-800 nm, equipped with drivers, characterized in that the spectra that make up the set of selected LEDs overlap each other in different spectral parts of the range, preferably at a level of 0.5 of the maximum amplitude, moreover, two warm white and one green LEDs with a radiation power of 10 W each, blue, blue, two full-spectrum LEDs and one deep-level LED were used Cue the red and infrared LEDs with 3 watt light capacity each.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".A comparative analysis of the features of the claimed solution with the features of the prototype and analogues indicates the conformity of the claimed solution to the criterion of "novelty."

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:Moreover, the set of features of the distinctive part of the claims provides the lamp with a radiation spectrum corresponding to sunlight, and the distinctive features of the distinctive part of the claims provide a solution to the following set of functional tasks:

Признаки «спектры, составляющие набор отобранных светодиодов, перекрывают друг друга в разных спектральных участках диапазона» способствуют выравниванию (снижению волнистости) суммарного спектра светильника.The signs “spectra that make up the set of selected LEDs overlap in different spectral parts of the range” contribute to the alignment (reduction of waviness) of the total spectrum of the luminaire.

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.Signs indicating that the spectra that make up the set of selected LEDs overlap "preferably at a level of 0.5 of the maximum amplitude" also contribute to reducing the waviness of the total spectrum of the luminaire.

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.Signs indicating that “two warm white and one green LEDs with a radiation power of 10 W each, blue, blue, two full-spectrum LEDs and one deep red and infrared LEDs with a radiation power of 3 W each” were used, provide the formation of a spectrum lamp radiation close to sunlight.

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.In FIG. 1 shows table 1, which shows the emission spectra and characteristics of industrial LEDs; in FIG. 2 shows the spectra of individual industrial LEDs; in FIG. 3 shows the spectrum of the radiated power of a set of LEDs, measured by a TKA-Spectr spectrophotometer; in FIG. 4 shows the emission spectra of the sun and two types of matrix solar spectrum.

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).Currently, the industry produces various LEDs with a narrow and wide band of radiation, with a peak of radiation falling at one or more specific frequencies of light. It covers a wide range of light frequencies from UV radiation to far red and infrared light. In addition, there are white light-emitting diodes with different color temperatures (see table. 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.The idea is this: there is a set of LEDs with different spectra. From them you can dial a line of LEDs with overlapping spectral curves at a level of about 0.4-0.6 and then they, summing up their energy parameters, can form a spectrum corresponding to sunlight (see Fig. 3). Thus, if the spectrum of solar radiation is known, then, selecting various LEDs with different spectra and different intensities, you can get a light source that is very similar in its spectrum to solar radiation.

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.The simulated range of photosynthetically active radiation of the solar spectrum, comprising about 400-800 nm, is implemented by a set of LEDs of the following composition: warm white with a radiation power of 10 W 2 pcs .; GR - green wavelength 520-525 nm and a radiation power of 10 W - 1 pc.; Blue - blue wavelength of 460 nm and a radiation power of 3 W - 1 pc.; Cyan - blue wavelength of 490 nm and a radiation power of 3 W - 1 pc.; FS - full spectrum wavelength of 380 and 840 nm and a radiation power of 3 W - 2 pcs.; IR730 - infrared wavelength of 730 nm and a radiation power of 3 W - 1 pc.; DR - deep red 640 nm with a radiation power of 3 W - 1 pc. Moreover, these LEDs overlap in different spectral parts of the range, preferably at the level of 0.5 of the maximum amplitude.

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:Spectral and energy parameters were taken for each type of LEDs, which made it possible to form the first approximation of the lamp to the solar spectrum. As an example, 7 types of LEDs with different spectra were selected, which overlapped each other in different spectral regions (Fig. 2). To select an acceptable radiation power, two lines were formed with separate current drivers:

- питание от драйвера с током 300 мА WW - 2 шт.; GR - 1 шт.; Blue - 1 шт.; Cyan - 1 шт.; DR - 1 шт.;- powered by a driver with a current of 300 mA WW - 2 pcs .; GR - 1 pc.; Blue - 1 pc.; Cyan - 1 pc.; DR - 1 pc.;

- питание от драйвера током 600 мА FS - 2 шт.; IR730 - 1 шт.- power from the driver with a current of 600 mA FS - 2 pcs .; IR730 - 1 pc.

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.All LEDs in each line were connected in series, so the voltage at the ends of the first line was 40.8 V; at the ends of the second line of 8.9 V. Accordingly, the power consumption was equal to 12.24 watts and 5.34 watts. The total power consumption was 17.54 watts.

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.In FIG. Figure 3 shows a curve of the resulting radiated power of a set of LEDs, measured by a TKA-Spectr spectrophotometer device, which allows you to measure the frequency and energy characteristics of electromagnetic radiation in the frequency range 400-800 nm. The vertical ordinate shows the radiation power of each spectral component in units of measurement: mW / m ² . The measurements were carried out with a TKA-Spectr spectrophotometer at a distance of 400 mm from the center of the set of LEDs along their axis. In this case, the PAR illumination in the range of 400-800 nm was Ee (PAR) = 6.66 W / m ² .

В качестве другого примера на фиг. 4 приведен спектр солнца и двух вариантов реализации матрицы солнечного спектра.As another example in FIG. Figure 4 shows the spectrum of the sun and two options for implementing the matrix of the solar spectrum.

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.In order for the spectrum of the resulting matrix not to have a wavy character, but to be uniform (as on the curve of the Solar matrix 2, Fig. 4), it is necessary that the spectra of individual LEDs be approximately the same shape (width) and intersect each other at level 0, 5 from the maximum. If, for example, at a frequency of 500 nm there are two LEDs that emit a maximum at 500 nm, and at a level of 0.5, the emission bandwidth of the first will be 50 nm and the second 150 nm, then when summing with other LEDs, unevenness will appear (wave-like, as on the curve of the solar matrix 1). The undulation leads to a difference from the spectrum of the sun, although on average the energy will be the same.

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.The emission level of light energy for all LEDs should be approximately the same, otherwise the resulting uniform spectrum will not work. For this, it is necessary to select the number of LEDs of the same color so that the total radiation level is equal to the radiation level of the most intense LED in the matrix. To adjust the power, you can also use not the total number of the same monochrome LEDs, but to regulate the strength of the current passing through one powerful LED, the power of which overlaps the power of the sum of weaker LEDs. But then the LED itself will not work at full strength and this will lead to a rise in the cost of the matrix. For example, there is a blue LED (maximum power at a frequency of 440 nm is 10 W / m ² ), green (maximum power at a frequency of 550 nm is 13 W / m ² ), red (maximum power at a frequency of 640 nm is 20 W / m ² ) Then in the matrix it is necessary to select the radiation power of all the LEDs so that at a frequency with a maximum radiation power, each of them emits 20 W / m ² . Those. in this example, to the green LED with a power of 13 W, add green LEDs of lower power with a total value of 7 watts. For the blue LED, you can take two identical 10 W each or one 10 W each and another ten 1 W each.

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.The industry produces LEDs in denominations of 1, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100, 150, 200, 300 W, so choosing the right number of LEDs so that everyone works at full power is not a problem. Moreover, each LED with its own rating will work with maximum efficiency.

Claims

A luminaire containing a set of known LEDs with different emission spectra lying in the range of 400-800 nm, equipped with drivers, characterized in that the spectra comprising the set of selected LEDs overlap each other in different spectral regions of the range, preferably at a level of 0.5 from the maximum amplitude, moreover, two warm white and one green LEDs with a radiation power of 10 W each, blue, blue, two full-spectrum LEDs and one deep red and infrared LEDs are used Tododi with a radiation power of 3 W each.