Выбор концепции построения безопасной и энергосберегающей системы освещения

«Не имеющий стратегии – жертва чужой тактики!»

В 2012 г. на реализацию мероприятий госпрограммы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» Минэнерго РФ направит 6,4 млрд руб. С учётом финансирования бюджетов всех уровней и внебюджетных источников в 2011 г. на реализацию региональных программ было направлено около 47 млрд руб.:
• 20 млрд — за счёт средств бюджетов различных уровней;
• 27 млрд — из внебюджетных источников.

Темпы роста основных трендов и долей применения светодиодов в автомобилестроении, устройствах отображения информации и освещении среды обитания человека чрезвычайно высоки (среднегодовой темп роста около 66%), а по областям применения светодиодов следующие:
• автомобильное освещение согласно прогнозам вырастет с 10 млрд долл. в 2009 г. до 78 млрд в 2015 г.;
• в ближайшие 2—3 года применение в устройствах отображения информации будет доминировать;
• общее освещение вырастет с 2 млрд долл. в 2009 году до 38 млрд в 2015 г.

Во всех этих областях применения светодиодов получаемый от них свет попадает в глаза человека, которые являются главным потребителем этого света. В условиях динамично развивающегося рынка светодиодного освещения очень важно выбрать концепцию его построения. Системный и взаимоувязанный подход к выбору принципов построения светодиодных осветительных систем позволит минимизировать риски, связанные с безопасностью и здоровьем человека, и избежать миллиардных (долл.) финансовых и материальных затрат. Сущностью системного подхода к выбору концепции является взаимоувязанная оценка эффективности осветительных приборов (источников света и их блоков питания) и степени влияния их электромагнитного излучения (в различных диапазонах частот) на здоровье человека и на среду его обитания (на риски возникновения опасности в ней). Например, электромагнитные процессы в блоках питания энергосберегающих источников света из-за массовости применения и нелинейного характера нагрузки для цепей электропитания создают:
• электромагнитный смог и помехи;
• нестационарные электромагнитные процессы в фазных проводах и нулевой шине, что увеличивает риски коррозии металлоконструкций, пробоев изоляции проводов (пожара).

На этапе массового внедрения энергосберегающих ламп в Европе переработали стандарты на электрические кабели — увеличили диаметр нулевой шины и уменьшили диаметр фазной (EC61000- 3-2, IEEEE518). Тем самым устранили причину электрической и тепловой перегрузки нулевой шины и её выгорания (возгорания).

Электромагнитные излучения в диапазоне 380—760 нм характеризуются как оптическое излучение и определяются как свет, который оказывает существенное влияние на здоровье человека.

Через призму постулата «здоровье человека — эффективность осветительных приборов» рассмотрим существующие концепции построения светодиодных осветительных приборов и систем, а также технические и технологические предпосылки и тенденции для реализации новой концепции построения безопасной для человека и энергосберегающей системы освещения среды его обитания.

Обзорный анализ построения современных светодиодных светильников показал, что с точки зрения пространственного расположения синего светодиода и преобразующего его свет люминофора существуют две концепции построения светодиодных осветительных приборов.

Первая концепция — это построение светодиодных осветительных приборов с применением белых светодиодов, блоков питания, которые серийно выпускаются в основном зарубежными производителями.
Вторая концепция — это построение светодиодных осветительных приборов с применением синих светодиодов и удалённого от них люминофора — концепция удалённого люминофора.

Исторически отечественные разработчики светодиодных осветительных приборов стали заложниками первой концепции, которая обеспечивает в основном коммерческий интерес зарубежных производителей белых светодиодов, блоков питания и корпусов, а высокие цены на светодиодные осветительные приборы в условиях жёсткого административного прессинга по экономии электрической энергии только подогревают интерес к этим дорогостоящим проектам. И это привлекает на российский рынок ведущих производителей светодиодной продукции, на котором с 2009 г. действует решение Президентской комиссия по модернизации экономики по переводу страны с ламп накаливания сразу на светодиоды, минуя европейский опыт по внедрению энергосберегающих ламп.

На встрече 20 июня 2009 г. президент компании Royal Philips Electronics вручил Президенту России Дмитрию Медведеву светодиодную лампу Master LED. Это стало началом успешного запуска на российский рынок второго поколения светодиодных ламп Master LED. Кроме западных компаний на осветительный российский рынок приходят восточные компании. Дочерняя структура АФК «Система» — компания «Ситроникс» решила немного расширить профиль своей деятельности и собирается открыть производство светодиодных ламп на своей территории в Зеленограде вместе с корейской компанией «Люмен Стар». Общие инвестиции в производство могут достичь 2 млн долл. ООО «Люмен Стар» (бренд INNOLIGHTS) создано в 2011 г. В основе построения этих светильников лежит идеология связки светодиодов на общем радиаторе.

Идеология построения отечественных светодиодных светильников диктуется зарубежными производителями комплектующих изделий (белых светодиодов, блоков питания и радиаторов-корпусов).

Широко внедряемые светодиодные светильники построены по принципу «связки» отдельных ярких белых светодиодов, а учитывая, что глаз человека реагирует на яркость точки, которая создаёт соответствующие уровни освещённости на сетчатке глаза, такая схема расположения точечных источников света создаёт условия для эффекта ослепления и сильного «светового загрязнения».

Также общим недостатком таких светодиодных источников света является создаваемая ими неравномерность яркости на освещаемой поверхности (множество теней). Чем выше эффективность (лм/Вт) каждого светодиода, тем выше эффект энергосбережения, но и больше неравномерность яркости, которая создаёт дискомфортное освещение. В настоящее время лабораторная эффективность белых светодиодов составляет более 200 лм/Вт. Это достигнуто за счёт применения:
• одноваттных синих светодиодов с выходным потоком излучения более 500 МВт;
• составом люминофора, преобразующего синий свет.

В табл. 1 приведены данные о плотности мощности в различных источниках белого света.

Как следует из табл. 1, светодиоды являются высокоэнергетическим источником света. С точки зрения фотобиологической безопасности для глаз человека все источники характеризуются энергетической яркостью, которая создаёт энергетическую освещённость на сетчатке глаза. Величина её рассчитывается по формуле

E_r = π · L_s · τ ·d_e² / (4 · f²) ,

где: E_r — энергетическая освещённость на сетчатке, Вт/м²;
L_s — энергетическая яркость ИИ, Вт/(ср·м²);
τ — коэффициент пропускания глазных сред;
d_e — диаметр зрачка;
f — эффективное фокусное расстояние глаза.

Для снижения уровня энергетической освещённости на сетчатке и эффекта ослепления от точечных источников света применяются:
• нейтральные светорассеиватели (матовые), которые вносят дополнительные потери светового потока (более 40%);
• торцевая подсветка светодиодных панелей, на которой нанесена светорассеивающая матрица;
• увеличение площади излучаемой поверхности и т.п.

О дискомфортной яркости светодиодного освещения говорится и в документах Европейской комиссии, которая 15.12.2011 г. обнародовала документ «Зелёная книга. Освещение будущего. Ускорение внедрения инновационных технологий освещения». В этой книге в разделе «SSL: новый взгляд на освещение» говорится, что SSL-технология для общего освещения включает светодиодный OLED, так как светодиодные лампы и светильники обладают высокой интегральной яркостью от светодиодных точечных источников света. OLED-устройства однородно излучают свет с поверхности, которая может быть произвольных форм и размеров, например, в виде прозрачных панелей.

В «Зелёной книге» отмечается:
• раздел 2.2. — «государства несут ответственность за безопасность светодиодной продукции, продаваемой на светотехническом рынке Европы»;
• в подразделе «проблемы биологической безопасности («синий свет опасности»)» эта проблема поднята в связи с воздействием светодиодного света на сетчатку глаза человека и обусловлена большой долей синего в общем спектре белого светодиода. Предварительные рекомендации Научного комитета по новым и вновь выявленным рискам для здоровья (SCENIHR) следующие — «рассмотреть меры по уменьшению злоупотребления искусственным освещением в целом».

В настоящее время для уменьшения слепящей яркости от точечных белых светодиодов применяется технология покрытия единым слоем люминофора массива маломощных синих светодиодов. При этом уменьшается точечная яркость за счёт увеличения площади свечения.

С использованием этой технологии в 2011 г. ГК «Оптоган» была разработана лампочка «Оптолюкс Е-27». Источники света характеризуются не только яркостью и световым потоком, но и спектром излучения. Даже если вы решили проблему рассеивания точечных источников света, остаётся дискомфорт от спектра светодиодного освещения. Сравнение спектров светодиодных ламп и традиционной лампы приведено на рис. 1.

Из сравнительного анализа приведенных на рис. 1 спектров видно, что по отношению к спектру ЛН светодиодные лампы имеют в спектре значительную долю синего света. Учитывая это и в связи с планами массового использования светодиодных осветительных приборов вопрос влияния доли синего в спектре света на здоровье человека становится всё более актуальным.

Значимость этой проблемы усиливается по мере лавинного увеличения интенсивности излучения белых светодиодов с высокой цветовой температурой (холодный белый), которые имеют высокую эффективность лм/Вт и, как следствие, большую долю синего в спектре. В основе белых светодиодов лежит синий светодиод с длиной волны максимума излучения 455—465 нм и преобразующий его люминофор. По закону Вавилова такая система имеет максимальную эффективность преобразования. Этот закон имеет следующую формулировку: «До тех пор, пока длина волны света люминесценции больше, чем длина волны возбуждающего света, выход люминесценции растёт пропорционально длине волны. В области, где длина волны люминесценции становится меньше длины волны возбуждающего света, наблюдается быстрое падение выхода». Согласно этому закону максимальный выход конвертируемого люминофором света наблюдается при длине волны 460 нм.

Базовая длина волны для белого светодиода 460 нм оказывает на глаза и здоровье человека специфическое воздействие и является для него одной из основных частот. На этой длине электромагнитного излучения биоритмы человека синхронизированы с солнцем (с циклами: день, ночь). Это обусловлено тем, что в течение дня меняется спектральный состав света и самые большие изменения происходят в области 455—465 нм.

Доля синего в спектре светодиодов заставила зарубежных врачей и специалистов по охране труда заново переосмыслить степень воздействия света на здоровье человека и пересмотреть номенклатуру требований по фотобиологической безопасности источников света (в части требований к параметрам и характеристикам), а также восприятие света человеком в зависимости от уровня освещённости его среды обитания (табл. 2).

Попадающий в глаза человека свет имеет целый ряд биологических и поведенческих эффектов: секреция мелатонина и кортизона, циркадные изменения. Последние исследования института нейрологии Университета им. Томаса Джефферсона (США) показали, что в глазах человека кроме колбочек и палочек имеется третий тип фоторецепторов, который не влияет на зрительный процесс. Эти открытые клетки расположены в нижней части ретины (сетчатки) и содержат светочувствительный пигмент меланопсин, который преобразует световое излучение 460 нм в электрические сигналы, а они передаются в эпифиз, который синтезирует определённую дозу мелатонина. Основные физиологические функции мелатонина:
• биоритмологическая функция;
• терморегуляция и индукция сна;
• антиоксидантный эффект;
• иммуномодулирующее действие;
• антистрессорное действие;
• регуляция полового развития.

Дефицит мелатонина приводит к отложенным рискам возникновения тяжёлых клинических последствий для здоровья человека. Неполадки в циркадном ритме ускоряют дегенеративные процессы в мозгу, лежащие в основе старческого слабоумия, синдромов Альцгеймера и Паркинсона. Нейробиологи из Орегонского университета (США) сообщают, что, по их данным, расстроенные биологические часы увеличивают риск развития нейродегенеративных болезней. Чем хуже «настроены» биологические часы, тем сильнее разрушается нервная ткань, а чем сильнее она разрушается, тем больше нарушений в часах. Но, как подчёркивают врачи, первопричина этого всё-таки в нарушениях циркадного ритма.

Нарушение циркадного ритма вносит сумятицу в целый ряд клеточных функций. Это касается всех клеток, в том числе и нервных. Нейроны становятся особо чувствительны к факторам, вызывающим нейродегенеративные процессы.

Тщательно проведённые исследования показали, что освещённость в 1,3—4,0 лк монохромного синего света или в 100 лк белого света подавляет продукцию эпифизом мелатонина.

Подавление мелатонина в вечернее время, когда включено освещение, приводит к сдвигу биологических часов человека (рис. 2).

Доза синего и зелёного света измеряется в десятичном логарифме количества фотонов, попавших на единицу площади за единицу времени (13 lg фотонов см^—2·с^—1 ~24 люкса для 555 нм света и ~2 люкса для 460 нм), а сдвиг суточных ритмов — в часах. На рис. 2 горизонтальный чёрный пунктир показывает половину от максимального сдвига суточного ритма, а цветные вертикальные пунктирные линии — соответствующие этому сдвигу значения дозы синего и зелёного света. Mеланопсиновые клетки и колбочки вносят свой вклад в генерацию циркадных ритмов, только вклад этот разный: колбочки при включении света «просыпаются» на короткое время, а затем, даже если свет продолжает гореть, «засыпают» и не посылают в супрахиазматическое ядро (СХЯ) сигналы, приводящие к падению уровня мелатонина, а меланопсиновые клетки, однажды «проснувшись», понижают уровень мелатонина всё то время, пока горит свет. Можно сказать, что меланопсиновые клетки — основной «будильник» для организма, а колбочки — дополнительный, работающий примерно с той же силой, но ограниченное время. Немецкие учёные, изучив проблему подавления мелатонина (подавления сонливости) от долей синего, предложили в качестве одного из новых критериев оценки эффективности искусственных источников света ввести коэффициент циркадной эффективности — биологического действия излучения ламп.

Величина А_cv характеризует соотношение долей излучения, обеспечивающих визуальные (зрительные) функции и оказывающих биологическое действие (подавление сонливости). Цифры лучше, чем самые хорошие рассуждения. Величины А_cv для естественных и искусственных источников света приведены в табл. 3.

По этой оценке воздействие белого светодиода с Т = 4700 К (по доли синего) превосходит воздействие голубого небосвода с Т = 19 960 К почти в два раза, что противоречит основному постулату предварительного мнения независимых экспертов Научного комитета по новым и вновь выявленным рискам для здоровья (SCENIHR). В своем отчёте «Медицинские последствия искусственного света» от 18 июля 2011 г. эксперты коэффициент циркадной эффективности не применяют, хотя в медицинской среде и светотехническом сообществе Европы он известен и ведущие светотехнические фирмы его используют для оценки биологического воздействия на человека спектра излучения своих люминесцентных ламп.

Эксперты SCENIHR в своих отчётах, рассматривая влияние доли синего света на глаза человека, не заостряют внимание на том факте, что белый светодиод — это кристаллы синих светодиодов, которые покрывают жёлтым люминофором. Он поглощает некоторое количество синего света и излучает жёлтый свет. При смешении непоглощённого синего света с жёлтым человеческий глаз воспринимает свечение светодиода как белое. Однако эксперты отмечают, что синий свет (при неправильном использовании ламп, относящихся к группам риска 1, 2 или 3, — RG1, RG2 или RG3) может в принципе вызвать фотохимические повреждения сетчатки при определённых обстоятельствах.

Оценка по величине А_cv имеет один недостаток — увеличивая долю красного в спектре светодиодного прибора, можно получить меньшие значения А_cv, но на гормональную систему человека действует доля синего, которая имеет свой порог биологической безопасности. Отечественные учёные из НТЦ микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН провели свою сравнительную оценку светодиодных источников света с лампой накаливания. Результаты такой оценки приведены в табл. 4.

КАЧЕСТВО СВЕТА: ВИЗУАЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ
И «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДОЗА»

Такая сравнительная оценка по «мелатониновому» признаку источников света лучше, чем её отсутствие. Она создаёт основу и предпосылки для разработки более обоснованных с медицинской точки зрения методик и критериев. Необходимо отметить, что устройства отображения информации имеют светодиодную подсветку («холодные» белые светодиоды или RGB) и на них распространяется оценка по мелатонину. Чрезмерное увлечение высокотехнологичными устройствами приводит к нарушению сна. Об этом свидетельствуют результаты опроса Sleep in America 2011, проведённого в США организацией National Sleep Foundation (NSF). Согласно пресс-релизу более 95% опрошенных американцев признались, что за час до сна пользуются каким-либо коммуникационным устройством (смартфоном, ноутбуком, ПК или планшетом). Общение в социальных сетях, просмотр фильмов на планшете в условиях искусственного освещения, «серфинг» по Интернету и другая сходная деятельность, не дающая мозгу расслабиться (влияние дозы синего от подсветки экрана), предотвращают выделение мелатонина — гормона, который «говорит» телу о том, что пора отдохнуть. Это приводит к сбою в работе внутренних «часов» организма и, следовательно, бессоннице.

При различном уровне общей освещённости у людей наблюдается различная относительная чувствительность к освещению.

На рис. 3 приведена фотопическая кривая (зрение при ярком освещении — день) и скопическая кривая (зрение при низком уровне освещения — ночь).

Основные единицы светового потока — люмены ассоциируются с дневным зрением. Все производители источников света в настоящее время приводят данные по световому потоку (по соглашению 1924 г.) в «дневных» люменах, учитывающих работу только колбочек (фотопическое зрение). Как было рассмотрено выше, палочки (скопическое зрение) вносят большой вклад в зрительный процесс в условиях сумеречного и ночного зрения. В этих условиях они имеют значительно выше чувствительность в синей области спектра. В связи с этим было предложено использовать «эффективные» люмены для оценки источников света при некоторых видах освещения: «эффективные» люмены = «дневные» люмены × «множитель световой эффективности (S/P)».

S/P — это характеристика источника света, показывающая, какое влияние оказывает спектр источника света на работу ночного зрения. На рис. 4 приведены результаты пересчёта спектрального распределения энергии для светодиода CREE.

Чем выше S/P-фактор, тем эффективнее источник воздействует на фоторецепторы ночного зрения. Чем выше доля синего, тем сильнее ослепляющий дискомфорт для глаз человека в ночное время суток из-за высокой чувствительности палочек к синему свету. Впервые это было отмечено при оценке влияния света автомобильных фар с галогенными и ксеноновыми лампами на глаза водителей. Спектр излучения ксеноновыx ламп очень отличается от галогенных фар, имеющиx большую энергию в коротковолновой части видимого спектра (большая доля синего). Это само по себе имеет тенденцию к большему дискомфорту для той же освещённости сетчатки глаза. На рис. 5 показаны рейтинги дискомфорта по де Бур для галогенных и ксеноновых фар.

Чем меньше значения показателя по шкале, тем больше дискомфорт для глаз. Ясно, что освещённость на сетчатке глаза является важнейшим фактором в производстве дискомфорта, но нет никаких сомнений, что и спектр света влияет на это.

Французское агентство по продовольственной, экологической безопасности и гигиене труда опубликовало доклад «Системы освещения с использованием светодиодов: здоровье, вопросы для рассмотрения». В докладе обращается внимание непосредственно на потенциальные проблемы, связанные со светодиодным освещением. Среди вопросов, вызывающих наибольшее беспокойство, указываются токсическое действие синего света и риск ослепления, с добавлением, что синий свет, необходимый для получения белого светодиода, вызывает «токсический стресс» в сетчатке. Синий свет создаёт фотохимический риск для глаз, говорится в докладе, уровень риска зависит от накопленной дозы синего света, которая, как правило, формируется в результате низкоинтенсивного воздействия в течение длительного периода. В докладе сообщается, что синий свет признаётся как вредный и опасный для сетчатки в результате клеточного окислительного стресса, а особому риску подвергаются 3 группы: дети, пожилое население и работники, находящиеся в помещении с освещением высокой интенсивности. Кроме этого, в процессе эксплуатации белых светодиодов происходит прогрессирующая деградация люминофора, покрывающего синий кристалл. Это со временем может привести к переходу светильника из одной фотобиологической группы риска в другую, более высокую, в которой доля синего велика.

Эксперты SCENIHR в своем отчёте отмечают, что ожидается фототоксическое повреждение сетчатки под воздействием синего света с длиной волны между 430 и 460 нм.

Отечественные врачи отмечают, что доза синего света негативно влияет на сетчатку глаз человека. На рис. 6, 7 и 8 представлено взаимодействие синего излучения с человеческим глазом во всех возрастных группах (взято из Sliney 2002).

Всё-таки надо иметь в виду, что детские хрусталики примерно в 5 раз прозрачнее для фототоксичного синего света, чем хрусталики взрослых людей, и что в результате этого даже при обычном освещении к 10 годам у детей в их ретинальном пигментном эпителии набегает примерно 50% вредного фототоксичного пигмента старости липофусцина, и соответственно к старости они получат возрастную макулярную дегенерацию сетчатки, т.е. необратимую слепоту.

Электромагнитное излучение 460 нм достигает сетчатки в пожилом возрасте в 40% случаев, у человека старше 10 лет — в 60% и у детей — в 65%.

Особенно велико воздействие света на глаза детей, у которых не сформирована система защиты от синего спектра. В этой системе главными являются лютеин и зеаксантин. Они защищают макулу, выполняя роль «солнцезащитных» очков — естественных фильтров потенциально фототоксичного синего света и ультрафиолета, а также препятствуют образованию свободных радикалов под воздействием облучения. В норме они поглощают до 40— 60% синего света. С возрастом обменные процессы в сетчатке ухудшаются, уменьшается количество фоторецепторов, некоторые клетки погибают из-за нарушения восстановительного процесса, эффективность которого зависит от достатка пептидов и антиоксиданта — мелатонина. На рис. 9 показана общая схема взаимодействия синего света и сетчатки глаза.

Возрастная дегенерация, или дистрофия макулы, — это опасное заболевание органа зрения. Оно поражает макулу — центральное образование сетчатки, в котором и происходит формирование изображения. Это заболевание медленно, но неотвратимо приводит к полной потере зрения. В настоящее время макулодистрофия — самая распространённая причина слепоты у людей старше 50 лет, от которой потеряли зрение уже 25—30 млн человек в мире. При этом год от года заболеваемость макулодистрофией молодеет — сегодня мы сталкиваемся с её проявлениями уже в возрасте 45 лет.

Доктор Битти, директор Macular Pigment Research Group (MPRG) заявил: «Этот фотоокислительный стресс, или кумулятивное воздействие свободных радикалов от синего света, в течение всей жизни вызывает AMD (Age-related Macular Degeneration)». Крупнейшие американские эпидемиологические исследования показывают, что ежедневное дополнительное воздействие синего света на глаза молодого человека в подростковом возрасте к тридцати годам вызывает начало дегенерации сетчатки (AMD) на 10 лет раньше, чем она возникает от естественного света. Это увеличивает в два раза вероятность стать слепым».

Светодиодное освещение влияет не только на глаза и гормональную систему человека, но и на его психофизиологическое состояние, работоспособность и утомляемость. В ходе выполнения работы «Обоснование, разработка, подготовка к утверждению и утверждение на основе проведённых исследований психофизиологического воздействия светодиодных источников света на организм человека» дополнений и изменений к Санитарным правилам и нормам «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещённому освещению жилых и общественных зданий. Санитарные правила и нормы. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03» Научным центром здоровья детей РАМН, Научно-технологическим центром уникального приборостроения РАН, НИИ строительной физики при финансовой поддержке ГК «Роснанотехнологии» проведена экспериментальная оценка влияния светодиодного освещения (типа светодиодных панелей) на работоспособность мужчин в возрасте 18—30 лет. Исследования проводились в дневное время. Характер выполняемой работы: зрительная с высокой концентрацией внимания, 1 час эквивалентен 8 часам типовой работы корректора.

Известно, что утомление человека зависит не только от распределения яркости (её однородности) в поле зрения и от спектрального распределения излучения, но и от уровня яркости рабочей поверхности. Исследования качественных характеристик освещения показывают также, что зрительное утомление возрастает по мере увеличения времени пребывания в условиях дискомфортного освещения. Дискомфортные условия могут возникнуть не только в результате наличия ярких пятен в поле зрения наблюдателя, но и в результате недостаточной яркости поля зрения. Уровень освещённости на светлой поверхности, определяющий границу дискомфорта, повышается по мере увеличения цветовой температуры источника белого цвета (рис. 10).

На рис. 10 обозначены условия проведения эксперимента и рекомендации по уровню освещённости по ГОСТ ИСО 8995-2002 «Принципы зрительной эргономики. Освещение рабочих систем внутри помещений».

Основные результаты эксперимента представлены в табл. 5.

По этой схеме НИИ СФ (открытые линзы белых светодиодов) разработана основная (более 87%) масса светодиодных светильников, которые в спешном порядке устанавливаются везде в соответствии с утверждённым в 2009 г. решением о переходе на светодиодное освещение.

После утверждения СанПиН специалисты лаборатории профессионального отбора и психофизиологии и реабилитации ФГУП ВНИИЖГ Роспотребнадзора провели исследования по влиянию светодиодного света и света от штатных ламповых светильников на психофизиологическое состояние человека (машиниста подвижного состава РЖД). Метрологическую оценку светильников и рабочего места проводили ведущие специалисты по охране труда ВНИИЖТ РЖД, которые реализуют программу по внедрению светодиодного освещения на объектах РЖД.

Обобщённые результаты ВНИИЖГ представлены в табл. 6.

Анализ приведённых в табл. 4, 5, 6 данных позволяет сделать следующие выводы:
• от спектра света белого светодиода и применяемой оптики (на уровне светодиода и осветительного прибора) зависит степень воздействия на психофизиологическое состояние человека (машиниста). Прямое воздействие света от светодиодов  (растровый светодиодный светильник, изготовленный по рекомендации НИИ СФ, — открытые линзы белых светодиодов) снижает работоспособность более чем в 2 раза и повышает утомляемость испытуемых более чем в 2 раза;
• по «мелатониновому» признаку особо опасно использовать для освещения в вечернее и ночное время светодиоды холодного (6000—10000 К) и даже нейтрального (4000—5000 К) белого света. Биологическая доза (подавление мелатонина) по сравнению с лампой накаливания возрастает в 2—3 раза;
• проведённые ООО «Полупроводниковая техника» исследования доказали, что нельзя бездумно заменять привычные источники света в традиционных светильниках. Поскольку обладающие большой, по сравнению со стандартными люминесцентными лампами, светимостью светодиоды имеют большее слепящее действие, человек, длительное время находящийся в офисе с открытыми светильниками, устаёт больше, кроме этого, снижается его работоспособность более чем в 2 (!) раза;
• участники российского светодиодного рынка оживлённо обсуждают данные темы круглого стола РОСНАНО. В выступлениях за круглым столом  А. Чубайс отметил, что работы по изучению влияния светодиодного освещения на человека ведутся, и даже рассказал о проведенном эксперименте с участием добровольцев-волонтеров. По итогам исследований были подготовлены изменения в СНИП и некоторые нормативные акты. Это было подвергнуто критике профессором, академиком АЭН РФ Ю.Б. Айзенбергом. По мнению профессора, для изучения влияния светодиодов необходимы масштабные исследования.

За рубежом проводятся систематически глубокие всесторонние медико-биологические исследования по влиянию света на человека.

В рамках первой концепции десятилетние исследования по светодиодной технологии приносят дивиденды. Светодиодная технология выполняет свои обещания, предлагая рынку осветительных приборов всё более эффективные способы преобразования электронов в фотоны. Например, CREE недавно объявила, что достигла для белого светодиода 208 лм/Вт. Для себя фирмы определяют достижимые уровни эффективности: 250 лм/Вт — компания UCSB и до 280 лм/Вт — Philips.

Темпы роста эффективности белых светодиодов быстро приближаются к теоретическому пределу, но при этом обостряется проблема рассеивания света от точечного источника с большой яркостью. Хочется отметить, что поток излучения одноваттных синих светодиодов превышает 700 МВт (в тепло уходит 0,3 Вт). Поэтому наполняются новым смыслом слова директора по продажам Philips Lumileds Lighting Ове Соренсена (Ove Sorensen), который сообщил, что в ближайшие два года его компания собирается продать свои реакторы по производству кристаллов для светодиодов. В современных условиях не так важно, какой кристалл вы используете, а очень важно, в какой корпус устанавливается кристалл и какой применяется люминофор.

В США, Европе и России за последние годы (2005—2011 гг.) и особенно последние два года нашла широкое распространение и развитие концепция удалённого люминофора. В настоящее время в обеспечение этой концепции разрабатывается комплекс нормативных документов и ей уделяется пристальное внимание.

По проекту РОСНАНО люминофоры с квантовыми точками разрабатываются НТИЦ «Нанотех-Дубна» и имеют следующие характеристики:
материалы CdSe/CdS/ZnS, InP/ZnS, CuInSe₂
размер частиц, нм 7—15
диапазон возбуждения, нм 200—590
квантовый выход, % 90.

В США светодиодные лампы на квантовых точках не получили дальнейшего развития.

Характеристики красных люминофоров на основе квантовых точек:
длины волн максимумов флуоресценции, нм 600—640
квантовый выход флуоресценции, % 90
диапазон температур, оС от -40 до +50.

В настоящее время квантовые точки идут как добавки в основной удалённый люминофор, что повышает общий выход света при соответствующих тепловых режимах работы.

Многочисленными работами зарубежных исследователей показано, что удалённый люминофор обеспечивает более высокую (до 30%) светоотдачу и при этом получается рассеянный свет без слепящего эффекта.

При реализации этой концепции люминофор может наноситься на стекло, пластик и внедряться в прозрачную керамику и пластик.

Применение люминесцирующего пластмассового рассеивателя (ЛПР) имеет целью устранить некомфортность освещения за счёт снижения максимальной габаритной яркости светящейся поверхности светового прибора и обеспечения необходимого для комфортного освещения пространственного распределения света. Основными преимуществами разрабатываемого подхода являются:
• отсутствие слепящего эффекта за счёт свечения всей поверхности ЛПР, что повышает комфортность освещения, которая в световых приборах на белых светодиодах может быть обеспечена лишь ценой снижения светового потока (до 50%) или увеличением затрат на использование оптических формирователей светового потока;
• технологическая простота варьирования цветности свечения и формообразования (литьё под давлением, экструзия) ЛПР в целях обеспечения требуемого распределения и спектрального состава света;
• более низкая рабочая температура люминофора в ЛПР (менее 60°С) по сравнению с белыми светодиодами (выше 100°С), что гарантированно обеспечивает долгосрочную эксплуатацию светового прибора с ЛПР (не менее 50 000 часов) за счёт снижения скорости процесса деградации люминофора.

Зарубежными компаниями, которые занимаются созданием светодиодных осветительных приборов на основе принципа удалённого люминофора, являются: Philips, Osram, CREE, Intematix, Vexica и Xicato.

На рис. 11 представлена светодиодная лампа с удалённым люминофором компании Philips.

В августе 2011 г. Министерство энергетики США объявило о том, что светодиодная лампа Philips с удалённым люминофором выиграла L-премию по замене 60-ваттной лампы и призовое вознаграждение 10 000 000 долларов.

В марте 2011 г. Президент России Дмитрий Медведев тестировал пилотный образец светодиодной лампочки «Оптоган», которая в является аналогом подаренной лампы Мaster LED.

В это время фирма CREE разработала прототип светодиодной лампы с применением удалённого люминофора, которая обеспечивает светоотдачу 152 лм/Вт и хорошие светотехнические показатели (рис. 12).

Фирма CREE начала лицензионную экспансию на изготовителей световых приборов, и компания Ledzworld первой заключила лицензионный договор на выпуск светодиодной лампы с удалённым люминофором по технологии CREE.

Светодиодный светильник с удалённым люминофором фирмы Оsram представлен на рис. 13.

Светильник состоит из металлической платы с 20 высокопроизводительными светодиодами синего света, и каждый из них закрыт куполом удалённого люминофора.

Разработки фирмы Intematix (США) представлены на рис. 14.

Эффективность применения изделий фирмы Intematix выше на 30% по отношению к традиционной схеме построения светодиодного светильника на белых светодиодах.

Английская фирма Vexica включилась в гонку по разработке светильников по технологии удалённого люминофора. Модель разрабатывалась с применением удалённого люминофора и королевских синих светодиодов CREE XLamp XT-E, которые созданы специально для удалённого люминофора. Первоначально Vexica предлагала модули со световым потоком 1200 и 2000 лм и пообещала более высокий выход светового потока в моделях 2012 года. Показатель цветопередачи — свыше 90.

ОАО «Институт пластмасс» совместно с ОАО ОКБ «МЭЛЗ» с 2008 г. развивает научно-техническое направление по реализации принципа удалённого люминофора, которое заключается в использовании для конструирования светодиодных осветительных приборов синих светодиодов и полимерного композиционного материала для изготовления оптического люминесцирующего рассеивателя, обладающего способностью эффективно преобразовывать излучение синих светодиодов в белый свет.

В результате проведённых в ОАО «Институт пластмасс» исследований:
• разработан полимерный композиционный материал (КМ) на основе прозрачной конструкционной пластмассы, мелкодисперсного люминофора и функциональных добавок, обладающий способностью эффективно преобразовывать излучение синих светодиодов с длиной волны 455—465 нм в излучение жёлтой (570—590 нм) области спектра, обеспечивая тем самым результирующее белое свечение изделия из КМ;
• создана технология изготовления из КМ люминесцирующих пластмассовых рассеивателей (ЛПР) для светодиодных приборов общего и местного освещения трёх различных типоразмеров, сконструированных по принципу удалённого люминофора;
• разработана техническая документация на светопреобразующий композиционный материал и технологию изготовления ЛПР на его основе;
• изготовлены и испытаны макетные образцы светодиодных осветительных приборов с ЛПР различных типоразмеров, показавшие достаточные результаты для замены традиционных источников света (ламп накаливания, компактных люминесцентных ламп).

На рис. 15 показаны образцы ЛПР для светодиодных осветительных приборов. На технологию ЛПР получены патенты РФ.

Макеты светодиодных осветительных приборов для местного и общего освещения, разработанные ОАО «Институт пластмасс» совместно с ОАО ОКБ «МЭЛЗ», приведены на рис 16.

В рамках концепции удалённого люминофора удалось решить следующие проблемы:
• получить рассеиваемый белый свет с малыми потерями;
• многократно уменьшить эффект ослепления;
• повысить эффективность (реализована система освещения, эффективность которой всегда больше на 30%, чем у осветительной системы, разработанной по первой концепции);
• увеличить эффективность светильника более чем на 150 лм/Вт;
• повысить надёжность и ресурс на 60 000 часов.

Однако не в полной мере решены проблемы:
• повышения показателя цветопередачи более чем 90;
• управления величиной доли синего в объёме общего спектра;
• большого перекрытия между возбуждением и спектром излучения YAG; возможно, это из-за большого количества самопоглощения в слое люминофора.

Это говорит о том, что для эффективного выхода света из осветительного прибора синий свет в нём должен многократно конвертироваться на поверхностях, покрытых тонким слоем люминофора.

Указанные выше проблемы удалённого люминофора решаются сотрудниками компании Xicato, которая разрабатывает и производит светодиодные модули для функциональной замены традиционных галогенных ламп.

В настоящее время Xicato получены патенты на светодиодные светильники с двумя удалёнными люминофорами.

Применение оптической схемы с двумя удалёнными люминофорами позволило значительно понизить уровень доли синего в спектре светодиодного модуля и приблизить его к спектру галогенной лампы. В принципе можно синтезировать спектр лампы накаливания, который имеет более плавную кривую спектра.

На рис. 17 представлено сравнение спектра светодиодного светильника, галогенной лампы и светодиодного модуля с двумя удалёнными люминофорами при световом потоке каждого образца 700 лм.

Система двойного удалённого люминофора позволяет получить светодиодные источники света с высоким показателем цветопередачи более 95, и способным создавать комфортное освещение (рис. 18).

Ещё в начале 1940-х годов, когда внедрялись люминесцентные источники света и учёные думали о комфортности освещения и цветопередачи, Арье Andries Kruithof, который работал в компании Philips, провёл исследования о том, как человеческий глаз относится к освещённости в данный момент времени дня и цветовой температуре источника света.

Система с двумя удалёнными люминофорами способна создавать комфортное освещение при малых требуемых уровнях освещённости:
• на объектах общественного транспорта — не более 300 лк;
• на рабочих местах в офисах — не более 500 лк.

Для обеспечения комфортного освещения на уровне менее 500 лк необходимо иметь источник света с коррелированной цветовой температурой менее 4000 К.

Но как видно из зависимости, приведённой на рис. 19, в точке значения с коррелированной цветовой температурой, равной 4000 К, пересекаются кривые эффективности светодиодов белого света, в основе которых находятся синий светодиод или ультрафиолетовый.

Учитывая опасность доли синего света и требования к комфортности освещения, разработчики белых светодиодов нашли инновационные решения их построения на базе новых люминофоров и ультрафиолетовых светодиодов.

Фирма Soraa, которая была создана в Силиконовой долине, объявила о создании инновационных светодиодов на базе GaN-на-GaN. Она разработала новое поколение светодиодов, которые будут ярче и энергоэффективнее предыдущих. Один из создателей Soraa, Сюдзи Накамура, известен благодаря своему изобретению синего лазера и белых светодиодов. Светодиоды GaN-на-GaN могут работать при гораздо более высокой плотности тока (около 250 А/см2),чем другие светодиоды GaN. Компания Soraa использует чипы треугольной формы, что значительно повышает эффективность вывода света. GaN-на-GaN-светодиоды излучают в фиолетовой части спектра, скорее всего, 40—405 нм. Компания объединила светодиод с тремя люминофорами. Директор фирмы Soraa говорит, что разработанный светодиод предоставляет полный солнечный спектр, избегая как «голубого выброса», так и «голубого разрыва», что наблюдается в спектре обычных белых светодиодов (синих светодиодов с жёлтым люминофором).

В Soraa на базе технологии GaN-на-GaN устранили основные недостатки светодиодного освещения — выбросы и провалы в спектре света, ограничение по плотности тока и получению света с цветовой температурой ниже 3000 К при высокой эффективности.

Фирма ELECTROSPEL на базе синих, зелёных и красных люминофоров и конструктивных материалов разработала инновационный «вольфрамовый» светодиод. Этот светодиод по спектру белого света имитирует обычную вольфрамовую нить лампы накаливания. Их спектр света имеет тот же вид, что и обычные лампы накаливания. Это делает их идеальными для замены ламп накаливания. При цветовой температуре чуть ниже 3000 К свет от этих светодиодов производит отличное хроматическое освещение. Превосходная цветопередача (более 95) и экологически положительный характер делают эти светодиоды лучшим выбором для систем общего освещения пространства. Это показывает, что пионеры светодиодного освещения в своих новых разработках учитывают мнения врачей о небезопасности светодиодного освещения на базе синих светодиодов.

В настоящее время концепция удалённого люминофора получает новое развитие при замене синих светодиодов на синие лазеры. Примером служит разработка фар для BMW. Это создаёт предпосылки для разработки эффективных волоконно-оптических систем освещения с применением удалённого люминофора и эффективных источников синего света. Волоконно-оптическая система освещения с применением оптического люминесцирующего рассеивателя является перспективным направлением в освещении экологически чистых помещений, в которых не должно быть паразитных электромагнитных излучений.

Анализ недостатков и достижений первой и второй концепции построения светодиодных осветительных приборов и результатов исследований отечественных (ФГУП ВНИИЖГ) и зарубежных медицинских учреждений и организаций по охране труда привёл к необходимости разработки новой концепции построения светодиодных светильников на базе модуля с синими светодиодами (кристаллами) и интегрированным в него блоком питания, с двумя удалёнными люминофорами (различных видов) и применением нового теплопроводящего конструкционного материала. При этом осветительный прибор рассматривается как комплексированное изделие, в котором функциональные модули работают на разных физических принципах, но законы конструирования и эффективного функционирования изделия в целом синтезированы и взаимоувязаны с особенностями физических процессов, протекающих в модулях. При этом можно получить максимальную светоотдачу при минимальных тепловых потерях энергии на её конструктивных (комплектующих) элементах при значительном снижении потребления энергии по цепи питания. Это является гарантом обеспечения высоких эксплуатационных характеристик осветительного прибора, минимальных эксплуатационных расходов и его соответствия требованиям по экологии.

В настоящее время проводится работа по оптимизации состава отечественного люминофора, оптической схемы с учётом использования потока синего (фиолетового) света и выявленных в ходе проведённых исследований закономерностей по влиянию доли синего света в общем спектре светодиодной лампы на здоровье человека и его утомляемость. Получены первые патенты на конвекторы с двумя и тремя удалёнными люминофорами отечественной разработки.

Основные положения концепции удалённого люминофора изложены и обсуждены на семинарах и совещаниях в следующих организациях и учреждениях: Международной ассоциации «Метро»; Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожной гигиены (ФГУП ВНИИЖГ); Управлении охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля ОАО «РЖД»; ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в г. Москве» метрополитена; Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН и Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском светотехническом институте (ВНИСИ) им. С.И. Вавилова и представлены для рассмотрения на секции Научно-экспертного совета при рабочей группе Совета Федерации по мониторингу практики применения закона №261-ФЗ.

ВЫВОДЫ

1. Светодиодные панели с применением новых светодиодов фирм SORAA или ELECTROSPEL могут создавать безопасные для глаз человека и его здоровья осветительные системы среды его обитания.

2. Концепция на базе удалённых люминофоров позволяет:
• создать безопасные для глаз и здоровья человека светильники, которые обеспечат комфортные условия освещения среды его обитания;
• получить максимальную светоотдачу при минимальных тепловых потерях энергии на её конструктивных (комплектующих) элементах при значительном снижении потребления энергии по цепи питания. Это является гарантом высоких эксплуатационных характеристик осветительного прибора и уменьшает риски возникновения пожаров;
• построить эффективные волоконно-оптические системы освещения, что заменит часть электропроводки.

3. При массовом внедрении энергосберегающих технологий необходимо подумать о влиянии их блоков питания на долговечность кабелей и электрических сетей. Без решения этой оценки в условиях роста реактивной мощности и тока нулевой шины мы приблизимся к коллапсу электрических сетей из-за деградации изоляции кабелей.