LED blancos. Características de los LED: consumo de corriente, voltaje, potencia y rendimiento lumínico Ventajas y desventajas de los LED de fósforo

Hay dos formas habituales de obtener luz blanca de intensidad suficiente mediante LED. El primero es la combinación de chips de tres colores primarios (rojo, verde y azul) en una carcasa de LED. Mezclando estos colores se obtiene el blanco, además, cambiando la intensidad de los colores primarios se obtiene cualquier tonalidad de color que se utilice en la fabricación. La segunda forma es utilizar fósforo para convertir la radiación de un LED azul o ultravioleta en blanca. Un principio similar se utiliza en las lámparas fluorescentes. Actualmente, prevalece el segundo método debido al bajo coste y mayor rendimiento luminoso de los LED de fósforo.

fósforos

Los fósforos (el término proviene del latín lumen - luz y del griego phoros - portador) son sustancias que pueden brillar bajo la influencia de varios tipos de excitaciones. Según el método de excitación, existen fotoluminóforos, fósforos de rayos X, radioluminóforos, catodoluminóforos y electroluminóforos. Algunos fósforos vienen en tipos de excitación mixta, por ejemplo, foto, cátodo y electroluminóforo ZnS·Cu. Según su estructura química, distinguen entre fósforos orgánicos (organoluminóforos) e inorgánicos (fósforos). Los fósforos que tienen una estructura cristalina se llaman cristalofósforos. La relación entre la energía emitida y la energía absorbida se llama eficiencia cuántica.

El brillo de un fósforo está determinado tanto por las propiedades de la sustancia principal como por la presencia de un activador (impureza). El activador crea centros de luminiscencia en la sustancia principal (base). El nombre de fósforos activados consta del nombre de la base y del activador, por ejemplo: ZnS·Cu,Co significa fósforo ZnS activado con cobre y cobalto. Si la base es mixta, primero se enumeran los nombres de las bases y luego los activadores, por ejemplo, ZnS, CdS Cu, Co.

La aparición de propiedades luminiscentes en sustancias inorgánicas está asociada con la formación de una base de fósforo en la red cristalina durante la síntesis de defectos estructurales y de impurezas. La energía que excita el fósforo puede ser absorbida tanto por los centros luminiscentes (activador o absorción de impurezas) como por la base de fósforo (absorción fundamental). En el primer caso, la absorción va acompañada de la transición de electrones dentro de la capa electrónica a niveles de energía más altos o de la eliminación completa de un electrón del activador (se forma un "agujero"). En el segundo caso, cuando la base absorbe energía, se forman huecos y electrones en la sustancia principal. Los agujeros pueden migrar por todo el cristal y localizarse en los centros de luminiscencia. La emisión se produce como resultado del retorno de electrones a niveles de energía más bajos o de la recombinación de un electrón con un hueco.

Los fósforos en los que la luminiscencia está asociada con la formación y recombinación de cargas opuestas (electrones y huecos) se denominan fósforos de recombinación. Se basan en conexiones de tipo semiconductor. En estos fósforos, la red cristalina de la base es el medio en el que se desarrolla el proceso de luminiscencia. Esto permite, cambiando la composición de la base, variar ampliamente las propiedades de los fósforos. Cambiar la banda prohibida cuando se utiliza el mismo activador cambia suavemente la composición espectral de la radiación en un amplio rango. Dependiendo de la aplicación, existen diferentes requisitos para los parámetros del fósforo: tipo de excitación, espectro de excitación, espectro de emisión, potencia de emisión, características de tiempo (tiempo de subida de la luminiscencia y duración de la postluminiscencia). La mayor variedad de parámetros se puede obtener con fósforos cristalinos cambiando los activadores y la composición de la base.

El espectro de excitación de varios fotoluminóforos es amplio, desde el ultravioleta de onda corta hasta el infrarrojo. El espectro de emisión también se encuentra en las regiones visible, infrarroja o ultravioleta. El espectro de emisión puede ser amplio o estrecho y depende en gran medida de la concentración de fósforo y activador, así como de la temperatura. Según la regla de Stokes-Lommel, el máximo del espectro de emisión se desplaza desde el máximo del espectro de absorción hacia las ondas largas. Además, el espectro de emisión suele tener una anchura considerable. Esto se explica por el hecho de que parte de la energía absorbida por el fósforo se disipa en su red, convirtiéndose en calor. Un lugar especial lo ocupan los fósforos "anti-Stokes", que emiten energía en una región superior del espectro.

La producción de energía de la radiación de fósforo depende del tipo de excitación, su espectro y el mecanismo de conversión. Disminuye al aumentar la concentración de fósforo y activador (apagado de la concentración) y la temperatura (apagado de la temperatura). El brillo del resplandor aumenta desde el inicio de la excitación durante períodos de tiempo variables. La duración del resplandor está determinada por la naturaleza de la transformación y la vida útil del estado excitado. Los organoluminóforos tienen el tiempo de luminosidad más corto, los fósforos cristalinos tienen el más largo.

Una parte importante de los fósforos cristalinos son materiales semiconductores con una banda prohibida de 1 a 10 eV, cuya luminiscencia es causada por una impureza del activador o defectos de la red cristalina. Las lámparas fluorescentes utilizan mezclas de fósforos cristalinos, por ejemplo mezclas de MgWO4 y (ZnBe)2 SiO4·Mn] o fósforos monocomponentes, por ejemplo halofosfato de calcio activado por Sb y Mn. Los fósforos para iluminación se seleccionan de modo que su brillo tenga una composición espectral cercana al espectro de la luz del día.

Los fósforos orgánicos pueden tener un alto rendimiento y una respuesta rápida. El color del fósforo se puede seleccionar para cualquier parte visible del espectro. Se utilizan para análisis luminiscentes, producción de pinturas luminiscentes, señales, abrillantado óptico de tejidos, etc. Los fósforos orgánicos se producían en la URSS bajo la marca luminors.

Durante el funcionamiento, el fósforo está sujeto a cambios de parámetros a lo largo del tiempo. Este proceso se llama envejecimiento (degradación) del fósforo. El envejecimiento es causado principalmente por procesos físicos y químicos tanto en la capa de fósforo como en su superficie, la aparición de centros no radiativos y la absorción de radiación en la capa de fósforo modificada.

Fósforo en LED

Los LED blancos suelen fabricarse con un cristal de InGaN azul y un fósforo amarillo. Los fósforos amarillos utilizados por la mayoría de los fabricantes son granate de itrio y aluminio modificado dopado con cerio trivalente (YAG). El espectro de luminiscencia de este fósforo se caracteriza por una longitud de onda máxima de 530...560 nm. La parte del espectro de onda larga es más larga que la parte de onda corta. La modificación del fósforo con aditivos de gadolinio y galio permite desplazar el máximo del espectro a la región fría (galio) o a la región cálida (gadolinio).

Son interesantes los datos espectrales del fósforo utilizado en Cree. A juzgar por el espectro, además de YAG, a la composición de fósforo del LED blanco se le ha añadido un fósforo con un máximo de emisión desplazado a la región roja.

A diferencia de las lámparas fluorescentes, el fósforo utilizado en los LED tiene una vida útil más larga y el envejecimiento del fósforo está determinado principalmente por la temperatura. La mayoría de las veces, el fósforo se aplica directamente al cristal LED, que se calienta mucho. Otros factores que afectan al fósforo tienen mucha menos importancia para la vida útil. El envejecimiento del fósforo conduce no sólo a una disminución del brillo del LED, sino también a un cambio en el tono de su brillo. En caso de degradación severa del fósforo, se ve claramente un tinte azul del resplandor. Esto se debe a un cambio en las propiedades del fósforo y al hecho de que la propia radiación del chip LED comienza a dominar el espectro. Con la introducción de la tecnología (fósforo remoto), se reduce la influencia de la temperatura en la tasa de degradación del fósforo.

Esto no habría sido posible si no fuera por la invención de la tecnología para obtener el verdadero color blanco. Después de todo, es poco probable que incluso la lámpara LED más potente encuentre un uso generalizado si no brilla en blanco. En un LED, la corriente eléctrica se convierte directamente en radiación luminosa y, en teoría, esto se puede hacer casi sin pérdidas. De hecho, el LED se calienta poco, lo que lo hace muy cómodo. El LED emite en una parte estrecha del espectro, su color es puro y no hay componentes adicionales dañinos de radiación ultravioleta e infrarroja.

Durable y confiable, y su vida útil puede alcanzar los 20 años. Pero este no es el límite. ¡Algunas empresas están comenzando a introducir en producción los últimos avances, lo que les permite aumentar la vida útil de los dispositivos LED a 100 años! Entonces, ¿cómo producen los LED luz blanca? Hay varias formas de fabricar un LED blanco.

1. Se aplican fósforos de color amarillo verdoso o verde y rojo a un LED azul para que las emisiones se mezclen para formar una luz casi blanca.
2. Se aplican tres fósforos a la superficie de un LED que emite en el rango ultravioleta, emitiendo luz azul, verde y roja.
3. Mezcla de colores mediante tecnología RGB. En una matriz se colocan densamente LED rojos, azules y verdes, cuya radiación se mezcla mediante un sistema óptico para producir luz blanca.

En la práctica, los más utilizados son los LED azules con fósforos amarillos y los LED ultravioletas con fósforos blancos. hizo posible introducir dicha iluminación en todas las esferas de la vida y la industria. Hoy en día, el uso de lámparas LED como fuente de luz es muchas veces superior a los dispositivos de iluminación que utilizan fuentes de luz tradicionales debido a sus innegables ventajas.

Los potentes LED blancos están disponibles en paquetes de montaje en superficie que permiten el uso de tecnologías altamente eficientes para la producción de productos terminados en placas de circuito impreso y procesos de soldadura estándar sin el uso de adhesivos ni dispositivos adicionales. Cada año, las empresas líderes del mundo introducen nuevas mejoras para aumentar el flujo luminoso y la eficiencia luminosa, así como la fiabilidad de los LED.

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LED blanco

Potente LED blanco

Hay dos tipos de LED blancos:

• LED multichip, más a menudo de tres componentes (LED RGB), que contienen tres emisores semiconductores de luz roja, verde y azul, combinados en una sola carcasa.
• LED de fósforo, creados a partir de un LED ultravioleta o azul, que contiene una capa de un fósforo especial que, como resultado de la fotoluminiscencia, convierte parte de la radiación LED en luz en una banda espectral relativamente amplia con un máximo en la región amarilla. (el diseño más común). La emisión del LED y el fósforo, cuando se mezclan, producen luz blanca de varios tonos.

Historia de la invención

Los primeros emisores semiconductores rojos para uso industrial los obtuvo N. Holonyak en 1962. A principios de los años 70 aparecieron los LED amarillos y verdes. La salida de luz de los primeros dispositivos de baja eficiencia alcanzó el nivel de un solo lumen en 1990. En 1993, Suji Nakamura, ingeniero de Nichia (Japón), creó el primer LED azul de alto brillo. Casi de inmediato aparecieron los dispositivos LED RGB, ya que los colores azul, rojo y verde permitían obtener cualquier color, incluido el blanco. Los LED de fósforo blanco aparecieron por primera vez en 1996. Posteriormente, la tecnología se desarrolló rápidamente y en 2005, la potencia luminosa de los LED alcanzó 100 lm/W o más. Los LED aparecieron con diferentes tonos de brillo, la calidad de la luz hizo posible competir con las lámparas incandescentes y con las lámparas fluorescentes ya tradicionales. Ha comenzado el uso de dispositivos de iluminación LED en la vida cotidiana, tanto en iluminación interior como exterior.

LED RGB

Se puede crear luz blanca mezclando LED de diferentes colores. El diseño tricromático más común se elabora a partir de fuentes rojas (R), verdes (G) y azules (B), aunque se encuentran variantes bicromáticas, tetracromáticas y más multicromáticas. Un LED multicolor, a diferencia de otros emisores semiconductores RGB (luminarias, lámparas, clusters), tiene una carcasa completa, que suele ser similar a un LED de un solo color. Los chips LED están situados uno al lado del otro y comparten una lente y un reflector comunes. Dado que los chips semiconductores tienen un tamaño finito y sus propios patrones de radiación, estos LED suelen tener características de color angulares desiguales. Además, para obtener la proporción de color correcta, a menudo no es suficiente configurar el diseño actual, ya que la salida de luz de cada chip se desconoce de antemano y está sujeta a cambios durante el funcionamiento. Para configurar las tonalidades deseadas, las lámparas RGB a veces están equipadas con dispositivos de control especiales.

El espectro de un LED RGB está determinado por el espectro de los emisores semiconductores que lo componen y tiene una forma de línea pronunciada. Este espectro es muy diferente del espectro del sol, por lo que el índice de reproducción cromática del LED RGB es bajo. Los LED RGB permiten controlar fácil y ampliamente el color del brillo cambiando la corriente de cada LED incluido en la tríada, ajustando el tono de color de la luz blanca que emiten directamente durante el funcionamiento, hasta obtener colores individuales independientes.

Los LED multicolores dependen de la salida de luz y el color de la temperatura debido a las diferentes características de los chips emisores que componen el dispositivo, lo que resulta en un ligero cambio en el color del brillo durante el funcionamiento. La vida útil de un LED multicolor está determinada por la durabilidad de los chips semiconductores, depende del diseño y, en la mayoría de los casos, supera la vida útil de los LED de fósforo.

Los LED multicolores se utilizan principalmente para iluminación decorativa y arquitectónica, en señalización electrónica y pantallas de vídeo.

LED de fósforo

Espectro de una de las opciones de LED de fósforo.

La combinación de un emisor semiconductor azul (más a menudo) o ultravioleta (con menos frecuencia) y un convertidor de fósforo permite producir una fuente de luz económica y con buenas características. El diseño más común de un LED de este tipo contiene un chip semiconductor de nitruro de galio azul modificado con indio (InGaN) y un fósforo con máxima reemisión en la región amarilla: granate de itrio-aluminio dopado con cerio trivalente (YAG). Parte de la potencia de la radiación inicial del chip sale del cuerpo del LED, disipándose en la capa de fósforo, la otra parte es absorbida por el fósforo y reemitida en la región de valores de energía más bajos. El espectro de reemisión cubre una amplia región del rojo al verde, pero el espectro resultante de un LED de este tipo tiene una caída pronunciada en la región verde-azul-verde.

Dependiendo de la composición del fósforo, los LED se fabrican con diferentes temperaturas de color (“cálidas” y “frías”). Al combinar diferentes tipos de fósforos, se logra un aumento significativo en el índice de reproducción cromática (CRI o R a), lo que sugiere la posibilidad de utilizar iluminación LED en condiciones críticas para la calidad de la reproducción cromática.

Una forma de aumentar el brillo de los LED de fósforo manteniendo o incluso reduciendo su costo es aumentar la corriente a través del chip semiconductor sin aumentar su tamaño, lo que aumenta la densidad de corriente. Este método está asociado con un aumento simultáneo de los requisitos de calidad del chip en sí y de la calidad del disipador de calor. A medida que aumenta la densidad de corriente, los campos eléctricos en la mayor parte de la región activa reducen la salida de luz. Cuando se alcanzan las corrientes límite, dado que las áreas del chip LED con diferentes concentraciones de impurezas y diferentes bandas prohibidas conducen la corriente de manera diferente, se produce un sobrecalentamiento local de las áreas del chip, lo que afecta la salida de luz y la durabilidad del LED en su conjunto. Para aumentar la potencia de salida manteniendo la calidad de las características espectrales y las condiciones térmicas, los LED se producen con grupos de chips LED en una sola carcasa.

Uno de los temas más debatidos en el campo de la tecnología LED policromada es su fiabilidad y durabilidad. A diferencia de muchas otras fuentes de luz, un LED cambia su salida de luz (eficiencia), patrón de radiación y tono de color con el tiempo, pero rara vez falla por completo. Por tanto, para estimar la vida útil, por ejemplo para iluminación, se toma un nivel de reducción de eficiencia luminosa de hasta el 70% del valor original (L70). Es decir, un LED cuyo brillo disminuye un 30% durante el funcionamiento se considera averiado. Para los LED utilizados en iluminación decorativa, se utiliza un nivel de reducción de brillo del 50% (L50) como evaluación de la vida útil.

La vida útil de un LED de fósforo depende de muchos parámetros. Además de la calidad de fabricación del conjunto LED en sí (el método de fijación del chip al soporte de cristal, el método de fijación de los conductores portadores de corriente, la calidad y las propiedades protectoras de los materiales de sellado), la vida útil depende principalmente de la características del propio chip emisor y de los cambios en las propiedades del fósforo durante el funcionamiento (degradación). Además, como demuestran numerosos estudios, el principal factor que influye en la vida útil de un LED es la temperatura.

Efecto de la temperatura en la vida útil del LED

Durante el funcionamiento, un chip semiconductor emite parte de la energía eléctrica en forma de radiación y otra parte en forma de calor. Además, dependiendo de la eficiencia de dicha conversión, la cantidad de calor es aproximadamente la mitad o más para los emisores más eficientes. El material semiconductor en sí tiene una baja conductividad térmica; además, los materiales y el diseño de la carcasa tienen una cierta conductividad térmica no ideal, lo que conduce al calentamiento del chip a altas temperaturas (para una estructura semiconductora). Los LED modernos funcionan a temperaturas de chip de entre 70 y 80 grados. Y un aumento adicional de esta temperatura cuando se utiliza nitruro de galio es inaceptable. La alta temperatura conduce a un aumento en el número de defectos en la capa activa, a una mayor difusión y a un cambio en las propiedades ópticas del sustrato. Todo esto conduce a un aumento en el porcentaje de recombinación no radiativa y absorción de fotones por parte del material del chip. Se logra un aumento de potencia y durabilidad mejorando tanto la propia estructura del semiconductor (reduciendo el sobrecalentamiento local), como desarrollando el diseño del conjunto de LED y mejorando la calidad de refrigeración del área activa del chip. También se están realizando investigaciones con otros materiales o sustratos semiconductores.

El fósforo también es susceptible a las altas temperaturas. Con una exposición prolongada a la temperatura, los centros reemisores se inhiben y el coeficiente de conversión, así como las características espectrales del fósforo, se deterioran. En los primeros diseños de LED policromados y en algunos modernos, el fósforo se aplica directamente al material semiconductor y se maximiza el efecto térmico. Además de las medidas para reducir la temperatura del chip emisor, los fabricantes utilizan varios métodos para reducir la influencia de la temperatura del chip sobre el fósforo. Las tecnologías de fósforo aislado y los diseños de lámparas LED, en los que el fósforo está físicamente separado del emisor, pueden aumentar la vida útil de la fuente de luz.

La carcasa del LED, hecha de plástico de silicona ópticamente transparente o resina epoxi, está sujeta a envejecimiento bajo la influencia de la temperatura y comienza a oscurecerse y amarillear con el tiempo, absorbiendo parte de la energía emitida por el LED. Las superficies reflectantes también se deterioran cuando se calientan: interactúan con otros elementos de la carrocería y son susceptibles a la corrosión. Todos estos factores juntos conducen al hecho de que el brillo y la calidad de la luz emitida disminuyen gradualmente. Sin embargo, este proceso se puede ralentizar con éxito garantizando una eliminación eficiente del calor.

Diseño LED de fósforo

Diagrama de uno de los diseños de LED blancos. MPCB ​​​​es una placa de circuito impreso de alta conductividad térmica.

Un LED de fósforo moderno es un dispositivo complejo que combina muchas soluciones técnicas originales y únicas. El LED tiene varios elementos principales, cada uno de los cuales realiza una función importante, a menudo más de una:

Todos los elementos de diseño LED experimentan estrés térmico y deben seleccionarse teniendo en cuenta el grado de expansión térmica. Y una condición importante para un buen diseño es la capacidad de fabricación y el bajo costo de ensamblar un dispositivo LED e instalarlo en una lámpara.

Brillo y calidad de la luz.

El parámetro más importante no es ni siquiera el brillo del LED, sino su eficiencia luminosa, es decir, la potencia luminosa de cada vatio de energía eléctrica consumida por el LED. La eficiencia luminosa de los LED modernos alcanza los 150-170 lm/W. El límite teórico de la tecnología se estima en 260-300 lm/W. Al evaluar, es necesario tener en cuenta que la eficiencia de una lámpara basada en LED es significativamente menor debido a la eficiencia de la fuente de energía, las propiedades ópticas del difusor, el reflector y otros elementos estructurales. Además, los fabricantes suelen indicar la eficiencia inicial del emisor a temperatura normal. Mientras que la temperatura del chip durante el funcionamiento es mucho mayor. Esto lleva al hecho de que la eficiencia real del emisor es entre un 5 y un 7% menor y la de la lámpara suele ser el doble.

El segundo parámetro igualmente importante es la calidad de la luz producida por el LED. Hay tres parámetros para evaluar la calidad de la reproducción cromática:

LED de fósforo basado en un emisor ultravioleta

Además de la ya extendida combinación de LED azul y YAG, también se está desarrollando un diseño basado en un LED ultravioleta. Un material semiconductor capaz de emitir en la región cercana al ultravioleta está recubierto con varias capas de un fósforo a base de europio y sulfuro de zinc activado por cobre y aluminio. Esta mezcla de fósforos proporciona máximos de reemisión en las regiones verde, azul y roja del espectro. La luz blanca resultante tiene características de muy buena calidad, pero la eficiencia de dicha conversión sigue siendo baja.

Ventajas y desventajas de los LED de fósforo.

Teniendo en cuenta el alto coste de las fuentes de iluminación LED en comparación con las lámparas tradicionales, existen razones de peso para utilizar dichos dispositivos:

• La principal ventaja de los LED blancos es su alta eficiencia. El bajo consumo energético específico permite su uso en fuentes de iluminación de emergencia y autónomas de larga duración.
• La alta confiabilidad y la larga vida útil sugieren posibles ahorros en el reemplazo de la lámpara. Además, el uso de fuentes de luz LED en zonas de difícil acceso y en exteriores reduce los costes de mantenimiento. Combinado con una alta eficiencia, existen importantes ahorros de costos al utilizar iluminación LED en algunas aplicaciones.
• Peso ligero y tamaño de los dispositivos. Los LED son de tamaño pequeño y adecuados para su uso en lugares de difícil acceso y pequeños dispositivos portátiles.
• La ausencia de radiación ultravioleta e infrarroja en el espectro permite el uso de iluminación LED sin dañar a los humanos y para fines especiales (por ejemplo, para iluminar libros raros u otros objetos expuestos a la luz).
• Excelente rendimiento a temperaturas bajo cero sin reducir y, a menudo, incluso mejorar los parámetros. La mayoría de los tipos de LED exhiben una mayor eficiencia y una vida útil más larga a medida que bajan las temperaturas, pero los componentes de potencia, control y diseño pueden tener el efecto contrario.
• Los LED son fuentes de luz libres de inercia; no requieren tiempo para calentarse o apagarse, como las lámparas fluorescentes, y el número de ciclos de encendido y apagado no afecta negativamente a su confiabilidad.
• La buena resistencia mecánica permite utilizar LED en condiciones de funcionamiento adversas.
• Facilidad de regulación de potencia mediante ciclo de trabajo y regulación de corriente de suministro sin comprometer los parámetros de eficiencia y confiabilidad.
• Seguro de usar, sin riesgo de descarga eléctrica debido al bajo voltaje de suministro.
• Bajo riesgo de incendio, posibilidad de uso en condiciones de explosión y riesgo de incendio debido a la ausencia de elementos incandescentes.
• Resistencia a la humedad, resistencia a ambientes agresivos.
• Neutralidad química, sin emisiones nocivas y sin requisitos especiales para los procedimientos de eliminación.

Pero también hay desventajas:

Los LED de iluminación también tienen características inherentes a todos los emisores semiconductores, teniendo en cuenta cuál es la aplicación más exitosa, por ejemplo, la dirección de la radiación. El LED brilla solo en una dirección sin necesidad de reflectores ni difusores adicionales. Las luminarias LED son las más adecuadas para la iluminación local y direccional.

Perspectivas de desarrollo de la tecnología LED blanca.

Se están desarrollando activamente tecnologías para la fabricación de LED blancos adecuados para fines de iluminación. La investigación en esta área se ve estimulada por un mayor interés público. La perspectiva de importantes ahorros energéticos está atrayendo inversiones en investigación de procesos, desarrollo tecnológico y búsqueda de nuevos materiales. A juzgar por las publicaciones de los fabricantes de LED y materiales relacionados, especialistas en el campo de los semiconductores y la luminotecnia, se pueden delinear caminos de desarrollo en esta área:

ver también

Notas

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Literatura

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Enlaces

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• Profesional dirigido. Revista científica y técnica sobre LED e iluminación LED, Austria
• Revista LED. Revista científica y técnica sobre LED e iluminación LED. EE.UU
• Tecnología de iluminación semiconductora. Revista rusa sobre LED e iluminación LED.

Incandescente	Lámpara incandescente Lámpara halógena
Fluorescente

Están hechos a base de un cristal azul (InGaN) y fósforo amarillo, que permite convertir la radiación azul en blanca. Con esta tecnología se obtiene un mayor rendimiento lumínico y además resulta económicamente beneficioso. El término "luminóforo" proviene del latín lumen - luz y del griego phoros - portador. Bajo la influencia de varios tipos de excitaciones, esta sustancia comienza a brillar. Para crear LED blancos, se utiliza fósforo amarillo: se trata de un granate de itrio y aluminio modificado dopado con cerio trivalente. De esta manera se consigue un espectro de luminiscencia con una longitud de onda máxima de 530..560 nm. Para obtener un LED con luz fría se añaden aditivos de galio al fósforo, y con luz oscura se añade gadolinio. A su vez, los fabricantes mundiales de LED de iluminación utilizan fósforos con los siguientes parámetros en su producción:

Fabricante	LP 1, nm	Ld 2, nm	CCT 3, K
Empresa de iluminación Philips Lumileds	~ 550	sin datos	4500..10000
Cree, Inc.	540..550	575..580	5000..10000
Semiconductores ópticos OSRAM	sin datos	sin datos	4700..6500
COTCO Internacional Ltd.	sin datos	570..575	4700..6500
Nichia Corp.	~ 550	~ 575	> 4500
Toyoda Gosei Co., Ltd.	sin datos	~ 575	> 4500
GELcore LLC	sin datos	sin datos	6500
Semiconductores de Seúl	~ 560	sin datos	6500

1 Longitud de onda máxima de emisión de fósforo
2 Longitud de onda dominante de la emisión de fósforo.
3 Temperatura de color correlacionada de la emisión de LED

Y en esta tabla puedes conocer el coeficiente de conversión de fósforo por flujo luminoso:

Veamos el ejemplo de un valor actual de 350 mA. A este valor, el flujo luminoso del cristal de luz azul original es de 11,5 lm, y con un fósforo a base del mismo cristal será 3 veces mayor (unos 34,5 lm). En la práctica, resulta que en varias versiones de LED de iluminación blanca con fósforo, la relación entre el flujo de luz blanca resultante y el azul original puede llegar a 5 y, por regla general, en la mayoría de los LED de empresas conocidas. tiene un valor de al menos 4, lo que indica la calidad del fósforo y el grado de conformidad de sus propiedades con las del cristal azul original.

Pero también cuando se utiliza fósforo se produce una pérdida de potencia óptica durante la transición de la luz azul a la blanca. Las pérdidas pueden alcanzar hasta el 25% en diferentes densidades de corriente. Esto puede deberse a pérdidas directas durante la reemisión del fósforo o a cambios en la composición espectral de la radiación del cristal azul cuando cambia la corriente.

Degradación del fósforo en LED blancos

La destrucción (degradación) del fósforo se produce cuando el LED funciona con un proceso de eliminación de calor incorrecto o interrumpido. Tal efecto sobre el fósforo solo puede provocar una disminución en el brillo del LED, así como un cambio en el tono de su brillo. Un signo de una grave degradación del fósforo es un tono azul claramente visible de la luz, porque su espectro comienza a estar dominado por la propia radiación del cristal LED.

La intensidad de la fotosíntesis bajo la luz roja es máxima, pero solo bajo luz roja las plantas mueren o su desarrollo se ve interrumpido. Por ejemplo, investigadores coreanos han demostrado que cuando se ilumina con rojo puro, la masa de lechuga cultivada es mayor que cuando se ilumina con una combinación de rojo y azul, pero las hojas contienen significativamente menos clorofila, polifenoles y antioxidantes. Y la Facultad de Biología de la Universidad Estatal de Moscú ha descubierto que en las hojas de col china bajo luz roja y azul de banda estrecha (en comparación con la iluminación con una lámpara de sodio), se reduce la síntesis de azúcares, se inhibe el crecimiento y no se produce la floración. ocurrir.

Arroz. 1 Leanna Garfield Tech Insider - Aerofarms

¿Qué tipo de iluminación se necesita para conseguir una planta completamente desarrollada, grande, fragante y sabrosa con un consumo energético moderado?

¿Cómo evaluar la eficiencia energética de una lámpara?

Métricas básicas para evaluar la eficiencia energética de phytolight:

• Flujo de fotones fotosintéticos (FPP), en micromoles por julio, es decir, en el número de cuantos de luz en el rango de 400 a 700 nm emitidos por una lámpara que consumía 1 J de electricidad.
• Flujo de fotones de rendimiento (YPF), en micromoles efectivos por julio, es decir, en el número de cuantos por 1 J de electricidad, teniendo en cuenta el multiplicador: la curva McCree.

FPP siempre resulta un poco más alto que YPF(curva McCree normalizado a uno y en la mayor parte del rango menos de uno), por lo que la primera métrica es beneficiosa para los vendedores de lámparas. La segunda métrica es más rentable para los compradores, ya que evalúa más adecuadamente la eficiencia energética.

Eficiencia de DNAT

Las grandes empresas agrícolas con amplia experiencia y que cuentan dinero todavía utilizan lámparas de sodio. Sí, aceptan de buen grado colgar las lámparas LED que les entregaron sobre las camas experimentales, pero no aceptan pagar por ellas.

De la Fig. 2 muestra que la eficiencia de una lámpara de sodio depende en gran medida de la potencia y alcanza un máximo de 600 W. Valor optimista característico YPF para una lámpara de sodio de 600 a 1000 W es 1,5 eff. µmol/J. Las lámparas de sodio de 70 a 150 W son una vez y media menos eficientes.

Arroz. 2. Espectro típico de una lámpara de sodio para plantas. (izquierda). Eficiencia en lúmenes por vatio y en micromoles efectivos de marcas comerciales de luces de sodio para invernaderos Cavita, E-Papillón, "Galad" y "Reflejo" (a la derecha)

Cualquier lámpara LED con una eficiencia de 1,5 eff. µmol/W y un precio razonable, pueden considerarse un sustituto digno de una lámpara de sodio.

La cuestionable eficacia de las fitoluces rojas y azules.

En este artículo no presentamos los espectros de absorción de la clorofila porque es incorrecto hacer referencia a ellos en una discusión sobre el uso del flujo luminoso por parte de una planta viva. Clorofila in vitro, aislada y purificada, sólo absorbe realmente la luz roja y azul. En una célula viva, los pigmentos absorben luz en todo el rango de 400 a 700 nm y transfieren su energía a la clorofila. La eficiencia energética de la luz en una lámina está determinada por la curva " McCree 1972"(Fig. 3).

Arroz. 3. V(λ) - curva de visibilidad para humanos; RQE- eficiencia cuántica relativa de la planta ( McCree 1972); σ r Y σ fr- curvas de absorción de luz roja y roja lejana por el fitocromo; B(λ) - eficiencia fototrópica de la luz azul

Nota: la eficiencia máxima en el rango rojo es una vez y media mayor que la eficiencia mínima en el rango verde. Y si se promedia la eficiencia en una banda algo amplia, la diferencia se vuelve aún menos notoria. En la práctica, la redistribución de parte de la energía de la gama roja a la verde a veces, por el contrario, mejora la función energética de la luz. La luz verde pasa a través del grosor de las hojas hasta los niveles inferiores, el área foliar efectiva de la planta aumenta considerablemente y aumenta el rendimiento de, por ejemplo, la lechuga.

Iluminación de plantas con LED blancos

En la obra se estudió la viabilidad energética de la iluminación de plantas con lámparas LED de luz blanca habituales.

La forma característica del espectro de un LED blanco está determinada por:

• el equilibrio de ondas cortas y largas, correlacionándose con la temperatura de color (Fig. 4, izquierda);
• el grado de ocupación espectral, que se correlaciona con la reproducción cromática (Fig. 4, derecha).

Arroz. 4. Espectros de luz LED blanca con la misma reproducción cromática, pero diferente temperatura de color CCT (izquierda) y con la misma temperatura de color y diferente reproducción cromática ra (a la derecha)

Las diferencias en el espectro de diodos blancos con la misma reproducción cromática y la misma temperatura de color son sutiles. En consecuencia, sólo podemos evaluar los parámetros dependientes del espectro mediante la temperatura del color, la reproducción cromática y la eficiencia luminosa, parámetros que están escritos en la etiqueta de una lámpara de luz blanca convencional.

Los resultados del análisis de los espectros de LED blancos de serie son los siguientes:

1. En el espectro de todos los LED blancos, incluso con una temperatura de color baja y una reproducción cromática máxima, como las lámparas de sodio, hay muy poco rojo lejano (Fig. 5).

Arroz. 5. Espectro de LED blanco ( CONDUJO 4000k ra= 90) y luz de sodio ( HPS) en comparación con las funciones espectrales de la sensibilidad de las plantas al azul ( B), rojo ( Arkansas) y luz roja lejana ( A_fr)

En condiciones naturales, una planta sombreada por un dosel de follaje extraño recibe un rojo más lejano que el rojo cercano, lo que en las plantas amantes de la luz desencadena el "síndrome de evitación de la sombra": la planta se estira hacia arriba. Los tomates, por ejemplo, en la etapa de crecimiento (¡no las plántulas!) necesitan un color rojo intenso para estirarse, aumentar el crecimiento y el área total ocupada y, por lo tanto, la cosecha en el futuro.

Por lo tanto, bajo LED blancos y bajo luz de sodio, la planta se siente como si estuviera bajo el sol y no se estira hacia arriba.

2. Se necesita luz azul para la reacción de “seguimiento del sol” (Fig. 6).

Arroz. 6. Fototropismo: girar hojas y flores, estirar tallos hacia el componente azul de la luz blanca (ilustración de Wikipedia)

Un vatio de luz LED blanca contiene el doble de componente azul fitoactivo que un vatio de luz de sodio. Además, la proporción de azul fitoactivo en la luz blanca aumenta en proporción a la temperatura del color. Si, por ejemplo, necesitas girar flores decorativas hacia las personas, debes iluminarlas desde este lado con una luz fría intensa y las plantas girarán.

3. El valor energético de la luz está determinado por la temperatura del color y la reproducción cromática y se puede determinar con una precisión del 5% mediante la fórmula:

donde es la eficiencia luminosa en lm/W, es el índice de reproducción cromática general, es la temperatura de color correlacionada en Kelvin.

Ejemplos de uso de esta fórmula:

A. Calculemos para los valores básicos de los parámetros de la luz blanca cuál debe ser la iluminación para proporcionar, por ejemplo, 300 efectos para una reproducción cromática y una temperatura de color determinadas. µmol/s/m2:

Se puede observar que el uso de luz blanca cálida con alta reproducción cromática permite el uso de niveles de iluminación ligeramente más bajos. Pero si tenemos en cuenta que la eficiencia luminosa de los LED de luz cálida con alta reproducción cromática es algo menor, queda claro que al elegir la temperatura del color y la reproducción cromática no hay ninguna ganancia o pérdida energéticamente significativa. Sólo puedes ajustar la proporción de luz fitoactiva azul o roja.

B. Evaluemos la aplicabilidad de una típica luz de cultivo LED de uso general para el cultivo de microvegetales.

Dejemos que una lámpara de 0,6 × 0,6 m consuma 35 W y tenga una temperatura de color de 4000 A, reproducción cromática Real academia de bellas artes= 80 y eficiencia luminosa 120 lm/W. Entonces su eficiencia será YPF= (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) efectivo. µmol/J = 1,5 eff. µmol/J. Lo cual, multiplicado por los 35 W consumidos, dará como resultado 52,5 eff. µmol/s.

Si una lámpara de este tipo se coloca lo suficientemente baja sobre un lecho de microvegetales con un área de 0,6 × 0,6 m = 0,36 m 2 y evita así la pérdida de luz hacia los lados, la densidad de iluminación será de 52,5 eff. µmol/s / 0,36 m 2 = 145 eff. µmol/s/m2. Esto es aproximadamente la mitad de los valores recomendados habitualmente. Por lo tanto, también se debe duplicar la potencia de la lámpara.

Comparación directa de fitoparámetros de diferentes tipos de lámparas.

Comparemos los fitoparámetros de una lámpara LED de techo de oficina convencional producida en 2016 con fitoluminarias especializadas (Fig. 7).

Arroz. 7. Parámetros comparativos de una lámpara de sodio típica de 600 W para invernaderos, una fitoluz LED especializada y una lámpara para iluminación interior general

Se puede observar que una lámpara de iluminación general ordinaria a la que se le ha quitado el difusor al iluminar plantas no es inferior en eficiencia energética a una lámpara de sodio especializada. También está claro que la lámpara fitolámpara de luz roja y azul (el fabricante deliberadamente no menciona su nombre) se fabrica en un nivel tecnológico más bajo, ya que su eficiencia total (la relación entre la potencia del flujo luminoso en vatios y la potencia consumida de la red) es inferior a la eficiencia de una lámpara de oficina. Pero si la eficiencia de las lámparas rojas, azules y blancas fuera la misma, ¡los fitoparámetros también serían aproximadamente los mismos!

También se desprende claramente de los espectros que la fitoluminaria rojo-azul no es de banda estrecha, su joroba roja es ancha y contiene mucho más rojo lejano que la lámpara LED blanca y de sodio. En los casos en los que se requiera rojo lejano, puede ser aconsejable utilizar dicha luminaria sola o en combinación con otras opciones.

Evaluación de la eficiencia energética del sistema de iluminación en su conjunto:

Arroz. 8. Auditoría del sistema de fitoiluminación.

Siguiente modelo UPRtek- espectrómetro PG100N Según el fabricante, mide micromoles por metro cuadrado y, lo que es más importante, el flujo luminoso en vatios por metro cuadrado.

¡Medir el flujo luminoso en vatios es una característica excelente! Si multiplicamos la superficie iluminada por la densidad del flujo luminoso en vatios y la comparamos con el consumo de la lámpara, queda clara la eficiencia energética del sistema de iluminación. Y este es el único criterio de eficiencia indiscutible hoy en día, que en la práctica difiere en un orden de magnitud para diferentes sistemas de iluminación (y no en varias veces, ni mucho menos en porcentajes, ya que el efecto energético cambia cuando cambia la forma del espectro). .

Ejemplos de uso de luz blanca.

Se describen ejemplos de iluminación de granjas hidropónicas con luz roja, azul y blanca (Fig. 9).

Arroz. 9. De izquierda a derecha y de arriba a abajo granjas: fujitsu, Afilado, toshiba, una granja de hierbas medicinales en el sur de California

El sistema agrícola es bastante conocido. Aerogranjas(Fig. 1, 10), el mayor de los cuales se construyó cerca de Nueva York. Bajo lámparas LED blancas en Aerogranjas Cultivan más de 250 tipos de verduras y obtienen más de veinte cosechas al año.

Arroz. 10. Granja Aerogranjas en Nueva Jersey ("Garden State") en la frontera con Nueva York

Experimentos directos que comparan la iluminación LED blanca y roja-azul
Hay muy pocos resultados publicados de experimentos directos que comparen plantas cultivadas bajo LED blancos y rojo-azules. Por ejemplo, este resultado fue mostrado brevemente por la Academia Agrícola de Moscú que lleva su nombre. Timiryazev (Fig. 11).

Arroz. once. En cada par, la planta de la izquierda crece bajo LED blancos, la de la derecha, bajo LED rojos y azules (de presentaciones I. G. Tarakanova, Departamento de Fisiología Vegetal, Academia Agrícola de Moscú que lleva su nombre. Timiryazev)

En 2014, la Universidad de Aviación y Espacio de Beijing publicó los resultados de un gran estudio sobre trigo cultivado con diferentes tipos de LED. Los investigadores chinos han llegado a la conclusión de que es aconsejable utilizar una mezcla de luz blanca y roja. Pero si observa los datos digitales del artículo (Fig. 12), notará que la diferencia en los parámetros para diferentes tipos de iluminación no es en absoluto radical.

Figura 12. Valores de los factores estudiados en dos fases de crecimiento del trigo bajo LED rojo, rojo-azul, rojo-blanco y blanco.

Sin embargo, el objetivo principal de la investigación actual es corregir las deficiencias de la iluminación rojo-azul de banda estrecha añadiendo luz blanca. Por ejemplo, investigadores japoneses encontraron un aumento en el peso y el valor nutricional de la lechuga y los tomates cuando se agregaba luz blanca a luz roja. En la práctica, esto significa que si el atractivo estético de una planta durante el crecimiento no es importante, no es necesario abandonar las lámparas rojo-azules de banda estrecha ya adquiridas; también se pueden utilizar lámparas de luz blanca.

La influencia de la calidad de la luz en el resultado.

La ley fundamental de la ecología “Liebig barril” (Fig. 13) dice: el desarrollo está limitado por el factor que más se desvía de la norma que otros. Por ejemplo, si el agua, los minerales y CO 2, pero la intensidad de la luz es el 30% del valor óptimo: la planta no producirá más del 30% del rendimiento máximo posible.

Arroz. 13. Ilustración del principio del factor limitante de vídeo de entrenamiento en youtube

En el laboratorio se determina la respuesta de la planta a la luz: la intensidad del intercambio de gases, el consumo de nutrientes de la solución y los procesos de síntesis. Las respuestas caracterizan no sólo la fotosíntesis, sino también los procesos de crecimiento, floración y síntesis de sustancias necesarias para el gusto y el aroma.

En la Fig. La Figura 14 muestra la respuesta de la planta a los cambios en la longitud de onda de la luz. La intensidad de la ingesta de sodio y fósforo de la solución nutritiva se midió con menta, fresas y lechuga. Los picos en tales gráficos son señales de que se está estimulando una reacción química específica. Los gráficos muestran que excluir algunos rangos del espectro completo para guardarlos es lo mismo que eliminar algunas teclas del piano y tocar una melodía en las restantes.

Arroz. 14. El papel estimulante de la luz en el consumo de nitrógeno y fósforo de la menta, las fresas y la lechuga (datos proporcionados por la empresa Fitex)

El principio del factor limitante se puede extender a componentes espectrales individuales; para obtener un resultado completo, en cualquier caso, se necesita todo el espectro. Eliminar algunas gamas del espectro completo no conduce a un aumento significativo de la eficiencia energética, pero el "barril de Liebig" puede funcionar y el resultado será negativo.
Los ejemplos demuestran que la luz LED blanca común y la “fitoluz roja y azul” especializada tienen aproximadamente la misma eficiencia energética al iluminar plantas. Pero el blanco de banda ancha satisface de manera integral las necesidades de la planta, que se expresan no solo en la estimulación de la fotosíntesis.

Quitar el verde del espectro continuo para que la luz pase de blanca a violeta es una estrategia de marketing para compradores que desean una “solución especial” pero que no son clientes calificados.

Ajuste de luz blanca

Los LED blancos de uso general más comunes tienen una reproducción cromática deficiente Real academia de bellas artes= 80, lo que se debe principalmente a la falta de color rojo (Fig. 4).

La falta de rojo en el espectro se puede compensar añadiendo LED rojos a la lámpara. Esta solución es promovida, por ejemplo, por cree. La lógica del “barril de Liebig” sugiere que tal aditivo no hará daño si es realmente un aditivo y no una redistribución de energía de otras gamas a favor del rojo.

En 2013-2016, el Instituto de Problemas Biomédicos de la Academia de Ciencias de Rusia realizó un trabajo interesante e importante: estudiaron cómo la adición de 4000 LED blancos a la luz afecta el desarrollo de la col china. A / Real academia de bellas artes= 70 LED rojos de banda estrecha de 660 nm.

Y descubrimos lo siguiente:

• Bajo la luz LED, el repollo crece aproximadamente igual que bajo la luz de sodio, pero tiene más clorofila (las hojas son más verdes).
• El peso seco del cultivo es casi proporcional a la cantidad total de luz en moles que recibe la planta. Más luz, más repollo.
• La concentración de vitamina C en el repollo aumenta ligeramente al aumentar la iluminación, pero aumenta significativamente al agregar luz roja a luz blanca.
• Un aumento significativo en la proporción del componente rojo en el espectro aumentó significativamente la concentración de nitratos en la biomasa. Fue necesario optimizar la solución nutritiva e introducir parte del nitrógeno en forma de amonio para no exceder la concentración máxima permitida de nitratos. Pero con luz blanca pura sólo era posible trabajar con nitrato.
• Al mismo tiempo, un aumento en la proporción de rojo en el flujo luminoso total casi no tiene ningún efecto sobre el peso del cultivo. Es decir, la reposición de los componentes espectrales faltantes no afecta la cantidad del cultivo, sino su calidad.
• La mayor eficiencia en moles por vatio de un LED rojo significa que agregar rojo al blanco también es energéticamente eficiente.

Por tanto, añadir rojo a blanco es aconsejable en el caso especial de la col china y muy posible en el caso general. Por supuesto, con control bioquímico y la correcta selección de fertilizantes para un cultivo concreto.

Opciones para enriquecer el espectro con luz roja.

La planta no sabe de dónde vino el cuanto del espectro de luz blanca y de dónde vino el cuanto "rojo". No es necesario crear un espectro especial en un LED. Y no es necesario iluminar con luz roja y blanca una lámpara fito especial. Es suficiente utilizar luz blanca de uso general y, además, iluminar la planta con una lámpara de luz roja separada. Y cuando una persona está cerca de la planta, la luz roja se puede apagar usando un sensor de movimiento para que la planta luzca verde y bonita.

Pero la solución opuesta también está justificada: al seleccionar la composición del fósforo, ampliar el espectro del LED blanco hacia ondas largas, equilibrándolo para que la luz siga siendo blanca. Y obtienes luz blanca con una reproducción cromática extra alta, adecuada tanto para plantas como para humanos.

Preguntas abiertas

Es posible identificar el papel de la proporción de luz roja lejana y cercana y la conveniencia de utilizar el "síndrome de evitación de la sombra" para diferentes cultivos. Se puede discutir en qué áreas durante el análisis es aconsejable dividir la escala de longitud de onda.

Se puede discutir si la planta necesita longitudes de onda inferiores a 400 nm o superiores a 700 nm para su estimulación o función reguladora. Por ejemplo, hay un informe privado de que la radiación ultravioleta afecta significativamente las cualidades de consumo de las plantas. Entre otras cosas, las variedades de lechuga de hojas rojas se cultivan sin radiación ultravioleta y crecen de color verde, pero antes de la venta se irradian con luz ultravioleta, se vuelven rojas y se envían al mostrador. ¿Y es correcta la nueva métrica? PBAR (planta de radiación biológicamente activa), descrito en la norma ANSI/ASABE S640, Cantidades y Unidades de Radiación Electromagnética para Plantas (Organismos Fotosintéticos), prescribe teniendo en cuenta el rango de 280 a 800 nm.

Conclusión

Las cadenas de tiendas eligen variedades más estables y luego el comprador vota con rublos por frutas más brillantes. Y casi nadie elige el sabor y el aroma. Pero tan pronto como nos volvamos más ricos y empecemos a exigir más, la ciencia proporcionará instantáneamente las variedades y recetas necesarias para la solución nutritiva.

Y para que la planta sintetice todo lo necesario para el sabor y el aroma, necesitará una iluminación con un espectro que contenga todas las longitudes de onda a las que reaccionará la planta, es decir, en el caso general, un espectro continuo. Quizás la solución básica sea la luz blanca con una alta reproducción cromática.

Expresiones de gratitud
El autor expresa su más sincero agradecimiento por la ayuda en la preparación del artículo al empleado del Centro Científico Estatal de la Federación de Rusia-IMBP RAS Ph.D. norte. Irina Konovalova; la responsable del proyecto Fiteks, Tatyana Trishina; especialista de la empresa cree Mijaíl Chervinski

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