A napsugárzás teljes spektrumán egyenletesen sugárzó LED világítás
Simone Hettinger és Wolfgang Endrich, euroLighting GmbH
A „nappali fény” LED hullámhossz eloszlása a napsugárzás spektrumát igyekszik közelíteni. Vajon milyen előnyöket jelent ez más fényforrásokkal összehasonlítva és hogyan befolyásolja az így előállított megvilágítás az emberek érzékeit? Erre keresnek választ a szerzők, az eurolighting GmbH, az Endrich csoport különleges LED megvilágításokkal foglalkozó leányvállalatának specialistái.
A napfény alapvető fontosságú az élet keletkezésétől kezdve az evolúció folyamán egészen a jelenkori társadalom kialakulásáig és természetesen ezután is, hiszen a Föld teljes dinamikájára hatással van. Nemcsak a látás képességét biztosítja az élőlények nagy része számára, hanem alapvető energiaforrásként szolgál a növények növekedéséhez és az élőlények hőháztartásának szabályozásához is.
A mesterséges fény előállításának képessége lehetővé tette, hogy az emberek építményekbe húzódva töltsék idejük egyre nagyobb részét. Egyes tanulmányok szerint az európai ember idejének 90%-át beltéren, sokszor mesterséges fényben tölti, ami jelentősen eltérő környezet a természetes életkörülmények közt (szabadtéren) megszokottól.
Az első ipari mennyiségben készült és mindenki számára elérhető mesterséges elektromos fényforrás az izzólámpa volt, melyet követett a fénycsövek, az energiatakarékos fényforrások és utóbb az egyre nagyobb jelentőségű LED világítás.
Ezek az eszközök tették a mesterséges megvilágítást energiatakarékossá, fenntarthatóvá és hosszú élettartamúvá, azonban egy nagyon fontos tényezőt figyelmen kívül hagyva, az emberi testre és pszichére gyakorolt hatást. Az emberiség fejlődése során megszokta a nappalok és éjszakák periodikus változásán alapuló életritmust, ami a mesterséges világítás miatt felborul, mely nemcsak a napszakok hosszának időbeli kitolódásán keresztül befolyásolja az emberi szervezet működését, hanem a fény spektrális összetételének a napfénytől való jelentős eltérésén keresztül is hat. Rövid távon alvászavarok léphetnek fel, hosszabb távol diabétesz, gasztroenterológiai vagy kardiovaszkuláris betegségek kialakulásához vezethet.
A napsugárzás és a mesterséges fényforrás fenti spektrális energiaeloszlásgörbéit összehasonlítva látható, hogy a napfény a teljes spektrumot, az ultraibolyától a látható fény tartományán keresztül az infravörös tartományig lefedő egyenletes energiájú elektromágneses sugárzás, és az ember ehhez alkalmazkodott az evolúció során. Érzékszerveink számára a látás és színérzékelés komfortját a természetes napfény biztosítja, maximális színvisszaadási tényező (Ra=100) természetes napfényben érvényesül.
A naphoz hasonlóan az izzólámpa izzószála is egy sugárzó test, és bár mint minden sugárzó testnek ennek is folytonos a spektruma, az energiaeloszlása már korántsem olyan egyenletes, mint a természetes napfénynek. Sokkal kisebb a kék komponens és érhető módon a spektrum eltolódik a vörös, infravörös tartomány felé, ami ideális fényforrássá teszi meleg-fény előállításához.
A probléma az izzószállal az, hogy energiájának több. mint 90%-át a láthatatlan infravörös tartománybeli hősugárzás formájában adja le, emiatt a fényhasznosítása (hatásfoka) nagyon alacsony. Emiatt az EU erősen korlátozza az ilyen fényforrások használatát és kereskedelmét.
Más fényforrások, mint például a gázkisülésen vagy az elektrolumineszcencia elvén működő lámpák spektruma is jelentősen eltér az ideálistól mind a nap magas színhőmérsékletével, mind az izzólámpa alacsony színhőmérsékletével összehasonlítva. Ezek a fényforrások a gerjesztett gázra jellemző hullámhosszokon rendelkeznek jelentős energiával, spektrumuk nem folytonos, abban nagy rések találhatók.
A 4. ábrán megfigyelhető, hogy a fénycső spektrumában a folytonos eloszlás helyett csak három kitüntetett hullámhossztartományban, a kék ( 440 nm), a zöld ( 545nm) és a vörös (610nm) tartományokban találunk intenzitás maximumokat. A fényeloszlás diszkrét volta mellett második problémaként a vibrálás jelentkezik fénycsöveknél, amely bár szabad szemmel általában nem látható, az idegrendszerre hatással van és számára stresszt okoz.
Napjainkban egyre szélesebb körben használnak LED fényforrásokat kiváló fényerejük kis méretük és energiatakarékos mivoltuk miatt. Szinte korlátlan lehetőséget adnak a mérnökök számára a világítástervezés során skálázhatóságuk és vezérelhetőségük miatt a hagyományos fényforrásokkal összehasonlítva. A LED technológia, akár kis helyre koncentráltan is, ma már lehetővé teszi a 200lm/W hatásfok elérését.
A fény erősségével kapcsolatos előnyök mellett azonban ki kell térni a színérzet kérdéskörére is. A fehér szín leírására használt legfontosabb világítástechnikai fogalom a színhőmérséklet, melyet Kelvinben adnak meg és a meleg (sárgás) színkarakterisztikától a hideg (kékes) árnyalatokig értelmezett. Tudományosabb definíciója szerint a színhőmérséklet egy feltételezett izzó fekete-test által létrehozott színérzet, melyet az izzás hőmérsékletével jellemzünk. Mivel a LED (és egyéb modern) technológiák nem hőmérsékleti sugárzás elvén működő fény- források, a színhőmérsékletnek fizikai értelmezése nincsen, ezért ezekben az esetekben korrelált színhőmérsékletről (CCT – correlated color temperature) beszélünk és fényforrás fénye által létrehozott színérzetet a hozzá legközelebb eső színérzetet adó fekete-test színhőmérsékletéhez igazítjuk. Az izzó fényforrások folytonos spektrumban sugároznak, így az általuk megvilágított objektum minden színét képesek megjeleníteni.
Az olyan fényforrások, melyeket korrelált színhőmérséklettel jellemzünk (pl. fehér LED), nem rendelkeznek egyenletes sugárzással a spektrum összes hullámhosszán, ezért az általuk visszaadott színérzet nem tökéletes. A fényforrások színvisszaadására jellemző mennyiség az ún. színvisszaadási tényező – CRI (color rendering index), mely az izzó fekete test sugárzók esetében a maximális 100-as érték. Professzionális megvilágítás esetén, a technológiától függetlenül, minimálisan 90-es CRI értéket kell biztosítani.
A fehér LED gyártástechnológiájából fakadóan, nevezetesen, hogy a fehér fényt kék chip fényének foszforréteg alkalmazásával történő konverziójával érik el a LED spektruma erősen kiegyenlítetlen lesz. A 450 nm körüli hullámhossz érték körül (kék tartomány) erős maximumot találunk. Jelentősen kisebb a kontrasztos látáshoz szükséges cián tartománybeli komponens, valamint a sejtregenerációhoz szükséges infra-tartománybeli komponensek alig vannak jelen.
Bár a korszerű mesterséges világítások alapvetően kiszolgálják az emberi fényszükségletet mind az intenzitás, mind a színvisszaadás tekintetében, a természetes napfénnyel összehasonlítva spektrumukból fontos területek hiányoznak. Ennek a kiegyenlítetlen spektrumnak eredményeképpen a mesterséges megvilágítás hosszútávon pszichés és egészségügyi problémákat okozhat az alvászavaroktól a súlyos betegségekig tartó széles skálán.
Speciális foszfor mix alkalmazása
Az euroLighting GmbH a 2019-es németországi Design Award győztes speciális LED családja egyszerre igyekszik kiszolgálni az emberi psziché és az érzékszervek szükségleteit. A Human Sun Lighting LED család egyszerre biztosít megfelelő kontrasztot, fényerőt, színvisszaadást, valamint egészséges világítást, jó közérzetet.
A LED tokozásban használt kék és lila chipek színét a hagyományos sárga foszfor helyett speciális összetételű foszfor mix konvertálja, ami elnyomja a spektrumban a hagyományos LED-nél megfigyelhető kék szín dominanciáját, és a napsugárzáshoz hasonló folytonos spektrum eloszlással ruházza fel a fényforrást.
A Smart Eco Lighting Daylight sorozatú eszközök mind alacsony, mind magas színhőmérsékleten (>5000K) közelítik a természetes napfény spektrumát a teljes látható fénytartományban. A spektrum tartalmazza az össze lényeges hullámhossz komponenst, amit a természetes napfény is biztosít. Az élőlények számára fontos összetevők így mesterségen megvilágítás alatt is rendelkezésre állnak, megfelelő megoldást nyújtva munkahelyek, iskolai tantermek megvilágítására, de alkalmazhatóak növénytermesztéshez állattartáshoz is.
Az új fejlesztések szélessávú napfény spektrum megvalósítására törekszenek, ebben nemcsak a látható fény tartományán folytonos a spektrum, de sugároz a LED egészen az 1000 nm infravörös tartományig. Ezzel a megoldással a sejtregeneráláshoz szükséges hullámhosszak alkalmazásával orvosi fototerápiás feladatokat is ellát a mesterséges megvilágítás.
Ami a SUNLIGHT LED család mezőgazdasági és kertészeti hasznosítását illeti elmondható, hogy a GW3535U és GW1919U sorozattal az euroLighting olyan megoldást kínál beltéri termesztésre, ami a növény minden növekedési fázisában (levélképződés, lombosodás, termésképződés, növekedés) kielégítő és univerzális, fajta és növekedési fázis független módon segíti a fejlődést. Ez a hagyományos kertészeti LED alkalmazásokhoz képest takarékos. mert nincsen szükség a különböző fázisokhoz egyedi hullámhosszú lámpákra és odafigyelésre a jó terméshozam eléréséhez. Az ilyen LED-ek PPF értéke (Photosynthetic Photon Flux) elérheti a 31.2 μmol/s értéket modulonként és a 1.7 μmol/s értéket LEDenként. A kibocsátott természetes fehér fény korrelált színhőmérséklete körülbelül 4000K és a színvisszaadási index (CRI) pedig meghaladja a 97 értéket. Ezzel nemcsak, hogy az ideális feltételek biztosítottak a növény számára, de a megfigyelő is kényelmesen dolgozhat, hiszen könnyen ellenőrizhető a palánták egészsége, a munkaterület pedig egészséges természetes fényhez közeli megvilágítást kap. Az extra UV komponens stimulálja a gyógynövényekben szaporodó aktív hatóanyagtartalmat és íz- valamint pigment és színfokozó hatással bír. Egy GW3535U-LED alkalmas 6 db 3.5 x 3.5 mm-es konvencionális LED kiváltására ezzel hely és költségmegtakarítást eredményez a tervezési feladatok redukálásáról nem is beszélve.