Расчет спектров излучения от общих источников света

1. Интуитивная система домашнего освещения
2. Построение спектров эмиссии в COMSOL Multiphysics
3. Естественный дневной свет
4. Лампы накаливания
5. Флуоресцентные лампы
6. Светодиодные лампы
7. Комбинированные источники света
8. Узнайте больше способов моделирования источников света

Мне нравится моя система освещения Philips Hue, которую я купил больше года назад. Система позволяет устанавливать миллионы различных цветов и тысячи уровней яркости для 18 лампочек с помощью смартфона. Вы также можете запрограммировать систему на автоматическое включение по мере приближения к месту проживания, известное как геозона, или в определенное время суток. Но как качество света сравнивается с другими технологиями освещения?

Интуитивная система домашнего освещения

Система Philips Hue работает за счет изменения количества синего, зеленого и красного света, которое вы можете настроить непосредственно со своего смартфона. Если вы чувствительны к определенному цвету света, вы можете просто избежать его. Вы можете настроить освещение в зависимости от вашего настроения, чтобы помочь сосредоточиться, зарядиться энергией, прочитать или расслабиться. Например, есть режим «Концентрат», который преимущественно выдает больше синего света, что, как показало, улучшает способность к концентрации. Когда я расслабляюсь по вечерам, я использую режим «Закат», который обеспечивает больше красных и оранжевых оттенков.

Прожив некоторое время с системой, я также обнаружил некоторые долгосрочные преимущества:

• Я обычно засыпаю ночью легче, чем когда у меня были старые флуоресцентные лампы.
• Мой счет за электроэнергию снизился примерно на 21 доллар в месяц с момента обновления системы. Это связано с тем, что светодиодная лампа 12 Вт может давать такой же оптический выход, что и лампа накаливания мощностью 60 Вт.

Сравнение некоторых настроек системы освещения в моей квартире. Слева: мягкий белый. Середина: красная. Справа: синий дождь.

Я пытался убедить своих родителей купить систему, но мои продажи не влияли на них. Я недавно купил им систему в качестве рождественского подарка, так как я такой хороший сын. Первый комментарий, который я услышал при демонстрации системы: «Ух ты, свет кажется таким естественным». Это побудило меня выяснить, почему это так, и можно ли использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для исследования основной физики. Ответ заключается в спектре излучения высокоэффективных светодиодных ламп. Сравнивая спектр излучения естественного света с излучением ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп, мы можем лучше понять это явление.

Построение спектров эмиссии в COMSOL Multiphysics

Спектры излучения для естественного дневного света, а также ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп приведены ниже. Как вы увидите, спектры излучения очень разные, и ни один из них не может идеально воспроизвести естественный дневной свет.

Естественный дневной свет

Давайте начнем с дневного света, прибывающего на поверхность земли от солнца. В настоящее время нет способа воспроизвести спектр излучения с помощью искусственного источника света. Тем не мение, световые трубки (или световые трубки) можно использовать для перенаправления входящего дневного света в подземные местоположения, такие как станции метро. Одним из примеров этого является подземная железнодорожная станция в Берлине. Световая труба простирается над станцией (показанной ниже, на левом изображении) и собирает свет, который передается через специальную трубу вниз в подземную станцию ​​(показанную ниже, справа).

Слева: световая труба у входа на вокзал в Берлине. Изображение Даббелю - собственная работа. Лицензия под CC BY-SA 3.0 , с помощью Wikimedia Commons , Справа: световая трубка пропускает свет в подземный терминал. Изображение Till Krech - Flickr. Лицензия под CC BY 2.0 , с помощью Wikimedia Commons ,

Световая труба создает более естественное освещение на вокзале в течение дня. Очевидный недостаток этого подхода заключается в том, что он не будет работать ночью, создавая необходимость в искусственном освещении, которое имитирует естественный дневной свет.

Спектр излучения для естественного света обычно соответствует распределению Планка в видимой части спектра, как мы можем видеть ниже. Ни один из цветов не является предпочтительным по сравнению с другим, хотя интенсивность в светло-синей области самая высокая, около 460 нм.

Спектр излучения видимого света, поступающего на поверхность Земли от Солнца.

Лампы накаливания

Лампа накаливания содержит вольфрамовую нить, которая резистивно нагревается, когда через нее проходит ток. При температуре около 2000 К нить начинает излучать видимый свет. Для предотвращения сгорания вольфрамовой проволоки колба заполнена газом, обычно аргоном. Тепло, генерируемое в нити, переносится в окружающую среду посредством излучения, конвекция и проводимость. Лампа накаливания испускает большую долю красного света, чем естественный дневной свет. Излучение распространяется даже на инфракрасную часть электромагнитного спектра, что приводит к напрасной трате энергии и снижению общей эффективности лампы.

Спектр излучения в видимом диапазоне типичной лампы накаливания.

Флуоресцентные лампы

Люминесцентная лампа обычно состоит из длинной стеклянной трубки, содержащей смесь ртути и редкого газа, такого как аргон, под низким давлением. Внутри этой трубки образуется неравновесный разряд (плазма). Это означает, что температура электронов отличается от температуры окружающей газовой смеси. Например, температура электронов может быть порядка более 20000 К, но температура газа остается относительно близкой к комнатной температуре, 300 К. Поскольку плазма не находится в равновесии, реакции электронного удара изменяют химический состав газовой смеси. в манере, управляемой столкновительными процессами. Эти столкновения могут производить электронно-возбужденные нейтралы, которые впоследствии могут производить спонтанное излучение фотонов на определенных длинах волн.

Видимый свет создается двумя механизмами: оптическим излучением непосредственно из разряда или возбуждающими люминофорами на поверхности трубки. Люминесцентные лампы часто вызывают проблемы у людей, страдающих от нарушения зрения, называемого синдромом Ирлена, и, по неподтвержденным данным, люди часто жалуются на головные боли и мигрени при длительном воздействии флуоресцентных ламп.

Как вы можете видеть на графике ниже, спектр излучения флуоресцентного источника света выглядит довольно странно. Квантование происходит либо из-за прямого излучения плазмы, либо из-за люминофоров, но для человеческого глаза излучаемый свет все еще кажется белым. Как и лампы накаливания, люминесцентные лампы могут быть неэффективными, потому что плазму необходимо поддерживать, и она излучает излучение в невидимом диапазоне.

Спектр излучения типичной флуоресцентной лампы.

Светодиодные лампы

Светодиоды революционизируют светотехническую промышленность, так как они часто намного более эффективны с точки зрения светоотдачи и более долговечны, чем традиционные технологии ламп накаливания. Например, обычные потребительские светодиодные лампы работают на 10-20% мощности, необходимой для работы лампы накаливания сопоставимой яркости. Они также имеют срок службы более 25 000 часов по сравнению с 1000 часами для ламп накаливания.

Светодиоды намного эффективнее ламп накаливания, потому что они работают совершенно по-другому. Светодиоды представляют собой полупроводниковые устройства, которые излучают свет, когда электроны в зоне проводимости переходят через запрещенную зону посредством излучательной рекомбинации с дырками в валентной зоне. В отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в очень узком диапазоне длин волн.

Первоначально красный, зеленый и желтый светодиоды были разработаны в 1950-х и 1960-х годах. Тем не менее, это было изобретение синий светодиод Это привело к созданию новых эффективных источников белого света. Синий свет, излучаемый такими светодиодами, может использоваться для стимулирования более широкого спектра излучения от люминофорного слоя вокруг корпуса светодиода или может быть напрямую объединен с красными и зелеными светодиодами для создания белого света.

Как показано на графике ниже, спектры светодиодов для настройки желтого люминофора приближаются к спектрам естественного дневного света. Синего света больше, чем лампы накаливания, и почти вся мощность излучается в видимом спектре.

Спектр излучения типичной светодиодной лампы на теплом, белом фоне.

Комбинированные источники света

Различные спектры излучения представлены на одной оси ниже. Хотя ни одна из лампочек точно не воспроизводит естественный дневной свет, светодиодная лампа явно является наилучшим приближением. Все излучение происходит в видимом диапазоне, что делает устройство очень эффективным.

Спектры излучения от дневного света и типичных ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп.

Как правило, лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют фиксированный оптический выход. Светодиодные лампы с фиксированным спектром излучения также доступны. Составляя графики спектров излучения различных источников света, мы можем сделать вывод, что светодиодные лампы наиболее точно повторяют естественный дневной свет.

Узнайте больше способов моделирования источников света

Как мы видели в этом посте, существует много разных способов создания искусственного света. Все методы, описанные выше, могут быть смоделированы с различными уровнями детализации с использованием COMSOL Multiphysics с модулями Semiconductor, Plasma, Heat Transfer или Ray Optics.

• Прочитайте сообщение в блоге:
• Скачать учебную модель:

PHILIPS является зарегистрированной торговой маркой Koninklijke Philips NV и ее филиалов.

Похожие

Комментарии