Настоящая статья призвана компенсировать некоторые недочеты учебных программ средней школы, связанные с темой, указанной в заглавии. Статья должна помочь радиолюбителям, а также всем интересующимся, разобраться с проблемами светодиодного освещения. Она может быть полезна всем, кто интересуется качеством фотографического, видео- и телевизионного изображения и некоторыми понятиями и законами цветовоспроизведения.
Видимый свет — это электромагнитные колебания, длина волны которых лежит в пределах 390…740 нм (нанометров). Длиной волны определяется цвет светового потока: 380 нм — фиолетовый, а 740 нм — красный. Между красным и фиолетовым цветом расположены все остальные цвета спектра. Порядок размещения семи цветов радуги легко запомнить, используя следующую фразу: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Выделенные жирные заглавные буквы — это первые буквы названий соответствующих цветов радуги. Например, К — красный, Ж -желтый и т.д.
Некоторые особенности зрения человека
Глаз человека имеет две разновидности светочувствительных клеток: «палочки» и «колбочки». Названы они так потому, что имеют похожую на эти предметы форму. Палочки обеспечивают черно-белое зрение. Они меньше по размерам и имеют большую чувствительность, чем колбочки. Колбочки — это светочувствительные клетки. Этим обусловлено то, что мы не различаем цвет мелких и удаленных предметов, а также не различаем цвет при слабом освещении («Ночью все кошки серы»).
Существуют колбочки чувствительные к красному (R — red), зеленому (G — green) и синему (В -blue). Поэтому R, G и В цвета называют основными цветами. Мы различаем все цвета и оттенки как сумму возбуждений разных (R, G и В) колбочек. Они имеют разную чувствительность. Белый световой поток (Y) воспринимается, как возбуждение R, G и В цветочувствительных клеток в соответствии с формулой:
Y = 0,59G + 0,3R + 0,11 В.
Интересно, что световой поток определенного цвета можно получить разными способами. Например, желтый световой поток, который возбуждает R и G колбочки, может представлять собой как монохромный световой поток длиной волны приблизительно 570 нм, так и сумму двух световых потоков: красного (680 нм) и зеленого (530 нм). Возможны и другие варианты получения этого цвета.
Почему предметы имеют разный цвет?
Цвет предмета определяется такими свойствами его поверхности как отражение и поглощение света. Если поверхность предмета не поглощает, а отражает, красный световой поток, и поглощает остальные цвета, то предмет будет иметь красный цвет. Если предмет отражает световые потоки красного и зеленого цвета, то предмет будет желтым.
Цвет прозрачных и полупрозрачных веществ определяется не только приведенными выше свойствами, но и тем, для светового потока какого цвета будет прозрачно это вещество.
Особенности смешения цветов
Существует 2 способа смешения цветов: аддитивный и субтрактивный.
При аддитивном смешении цветов световые потоки разных цветов складываются. Так при сложении световых потоков одинаковой интенсивности образуются следующие цвета:
- R + G = желтый;
- R + В = пурпурный;
- G + В = голубой;
- R + В + G = белый.
Отсутствие световых потоков воспринимается как черный цвет.
Различные оттенки цветов будут получаться при смешении световых потоков основных цветов разной интенсивности.
Световой поток характеризуется тремя параметрами: цветовым тоном, насыщенностью и яркостью.
Яркость особого пояснения не требует.
Цветовой тон — это параметр, позволяющий однозначно определить, что цветовой поток красного, зеленого или иного цвета.
Насыщенность — это степень свободы цвета от белого. Чтобы в этом разобраться возьмите чашечку кофе и добавляйте в него молоко. Чем «белее» становится кофе с молоком, тем менее насыщенным будет цвет.
Цветовой тон и насыщенность иногда объединяют в один параметр, который принято называть цветностью.
Для оценки и сравнения цветов в 1931 году была создана диаграмма цветности, которая определила принципы создания белого или цветного излучения для всевозможных источников света. Она представляет собой расположенное вдоль двух осей (х и у) и разбитое координатной сеткой поле, внутри которой вписана разноцветная фигура, напоминающая подкову — локус цветов (см. рис.1). В пространство, ограниченное этим замысловатым контуром, удачно вписались все из существующих в природе цветов, различимых человеческим глазом.
Рис. 1
По периметру «подковы» расположились максимально насыщенные спектральные цвета. Замыкающие спектр фиолетовый и красный цвета находятся соответственно с левой и правой стороны локуса. За счет отсутствия явных границ между семью цветами спектра, внутри этой сложной фигуры создается множество различных оттенков. При этом горизонтальная ось диаграммы характеризует насыщенность того или иного цвета, а вертикальная — его тон. Таким образом, любой цвет может быть элементарно определен с помощью двух координат.
Центр локуса представляет собой область наименее насыщенных цветов. Именно здесь расположился белый цвет, его координаты: (0,33, 0,33), — наиболее часто используемый при создании источников искусственного освещения. Зона максимальной эффективности белого цвета ограничена четкими параметрами, которые используются производителями при создании осветительного оборудования. На самом деле, любые, так называемые, белые излучения имеют в своей основе различные цветовые оттенки, определяющие, будет ли источаемый лампой свет «холодным» или «теплым».
Дело в том, что в существующих на сегодня стандартных электрических лампах нереально воссоздать идеальный цвет, который бы не содержал примесей других тонов, поэтому всякое излучение — белое или цветное — не что иное, как сумма нескольких монохромных излучений. Требуется создать определенный оттенок белого цвета? Берется несколько конкретных монохромных излучений в строго соблюдаемом соотношении.
Необходимо произвести цветные источники освещения, широко используемые для создания различных декоративных эффектов? Нет ничего проще — надо всего лишь выбрать из ограниченной локусом площади другой набор монохромных излучений, определяемых цифровыми параметрами двух осей и дающих в сумме заданный цвет.
Благодаря широким возможностям комбинирования различных излучений, которые предоставляет диаграмма цветового локуса, производителям светового оборудования не составляет труда создавать источники света с массой разнообразных, иногда едва отличимых друг от друга, оттенков.
Субтрактивное смешение цветов основано на вычитании световых потоков. Используется в полиграфии, фотосъемке и фотопечати, да и просто в смешивании красок. Вспомним, что R + G = желтый, a G + В = голубой. Например, если смешать желтую и голубую краски, то полученный цвет будет зеленым (G). Происходит это потому, что краски работают как светофильтры. Так, желтый светофильтр из всего белого спектра пропускает только красный (R) и зеленый (G) потоки света, а голубой светофильтр из этих двух потоков света пропустит только зеленый (G). Субтрактивное смешение цветов используется и в цветных принтерах, в большинстве из которых применяется чернила четырех цветов:
- черное (Black);
- желтое (Yellow);
- пурпурное (Magenta);
- голубое (Cyan).
Абсолютно черное тело и цветовая температура
Каждому из нас известно, что при нагреве металлических предметов на открытом огне, они сами начинают излучать свет. Более того, опытные и не очень опытные кузницы умеют по цвету свечения нагретых заготовок определять их температуру. Но есть одна особенность разные металлы и сплавы, нагретые до одной температуры, будут излучать световые потоки несколько отличающихся цветов.
Для количественной оценки цветности излучения источников света было введено понятие абсолютно черного тела.
Абсолютно чёрное тело — это физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. При нагреве абсолютно черное тело само способно излучать свет. Спектральный состав излучения абсолютно черного тела зависит только от его температуры, поэтому его удобно использовать в качестве эталона оттенка цвета для источников света. Материалом для абсолютно черного тела может служить сажа, графит и т.п. Температура нагрева абсолютно черного тела в Кельвинах (до 1968 — в градусах Кельвина) однозначно соответствует цвету излучаемого потока света. Ноль шкалы температуры в Кельвинах (0 К — абсолютный ноль) равен -273,15°С, а 1 К (Кельвин) соответствует 1°С.
Заметим, что цветовая температура обычных ламп накаливания соответствует 2700 К, галогенных (12 В) -примерно 3000 К.
Светодиодные и люминесцентные источники выпускаются в разных вариантах цветности. К тепло-белым относятся источники с цветовой температурой в диапазоне от 2700 до 3500 К, нейтрально-белым 4000…5000 К, холодно-белым 6000…6500 К, а некоторые светодиодные источники света имеют температуру до 10000 К.
Параметры светодиодных ламп и светильников
В первую очередь лампа характеризуется величиной потребляемой мощности. Обычно мощность светодиодных ламп для бытовых целей лежит в пределах от 1 до 20 Вт, хотя существуют и гораздо более мощные источники для уличного освещения: 100 Вт и более. Строго говоря, потребляемая мощность характеризует только скорость расходования электроэнергии из сети, а для того чтобы понять, насколько сильно лампа светит, следует поинтересоваться величиной светового потока.
Световой поток измеряется в люменах и наиболее полно характеризует источник света с точки зрения его способности осветить помещение. Некоторые китайские производители этот параметр не указывают или указывают не корректно, а реально проверить его невозможно. Например, на упаковке лампы мелко написано: световой поток — 280 лм, или вовсе нет данных по этому параметру, но при этом крупно изображено: мощность 4 Вт — эквивалентно 50 Вт лампе. Поспорить трудно, может быть и существует какая-нибудь лампа накаливания, которая потребляя 50…60 Вт, дает всего 280…320 лм светового потока. Только нормальная лампа накаливания при мощности 60 Вт должна выдавать примерно 560…710 лм. Заметим, что потребляемая мощность светодиодных в 8… 12 раз меньше, чем аналогичных по световому потоку ламп накаливания.
Особое внимание следует обращать на такие параметры, как цветовая температура (см. выше) и индекс цветопередачи. Индекс цветопередачи или коэффициент цветопередачи (англ. colour rendering index, CRI или Ra) — это параметр, характеризующий уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света. CRI (Ra) изначально использовался как важный параметр источников света в кинематографе, телевидении и фотографии. Коэффициент и характеристики цветопередачи различных источников света приведено в таблице.
| Характеристика цветопередачи | Коэффициент цветопередачи | Источники света |
| Очень хорошая | Более 90 | Лампы накаливания, галогенные лампы, люминесцентные лампы с пятикомпонентным люминофором |
| Очень хорошая | 80-89 | Люминесцентные лампы с трехкомпонентным люминофором, светодиодные лампы |
| Хорошая | 70-79 | Люминесцентные лампы ЛБЦ, ЛДЦ, светодиодные лампы |
| Хорошая | 60-69 | Люминесцентные лампы ЛД, ЛБ, светодиодные лампы |
| Достаточная | 40-59 | Лампы ДРЛ (ртутные), НЛВД с улучшенной цветопередачей |
| Низкая | Менее 39 | Лампы ДНат (натриевые) |
Особенно важен этот параметр для освещения тех мест, где наши дамы наносят макияж.
Угол рассеивания света — еще один важный параметр. Он измеряется в градусах. При очень маленьком значением этого угла лампа будет светить только в одном направлении, не обеспечивая полноценное освещение помещения или рабочего места. Желательно, чтобы этот параметр светодиодной лампы был не менее 150…160º.
Особенности светодиодного освещения
Белый свет — это всегда сумма световых потоков разных цветов. Он может быть получен, как сумма красного, зеленого и синего световых потоков (R + G +R), может быть получен и другим способом.
Основой светодиода излучающего белый световой поток является кристалл синего (реже ультрафиолетового) светодиода, покрытый специальным люминофором, который преобразует в результате фотолюминесценции часть излучения светодиода в свет в относительно широкой спектральной полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространённая конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь. дают белый свет различных оттенков.
Главный недостаток белого светодиода, связанный с приведенной выше его конструкцией, в его излучении присутствует чрезмерно много высокочастотного (синего) светового потока (см. графики на рис.2).
Рис. 2
Это связано с тем, что при продолжительном и непрерывном взгляде на источник света с большой мощностью синего, фиолетового и ультрафиолетового излучения может серьезно повредиться сетчатка наших глаз. Кроме того, синий свет сильно подавляет выработку мелатонина и мешает спать, так как мелатонин — это основной гормон эпифиза, регулирующий суточные ритмы нашего организма.
Поэтому, приобретая белые светодиоды, светодиодные лампы и светильники, следует обращать внимание на цветовую температуру излучаемого света.
Для освещения рабочих мест, жилых комнат, спален желательно использовать светодиоды и лампы с цветовой температурой приблизительно 2700…3500 К (теплый свет), несмотря на то, что они менее экономичны, чем лампы с большей цветовой температурой, которые можно использовать в помещениях, где мы не находимся длительное время. Например, в прихожих и коридорах.
Заметим еще одну особенность. Яркость синей составляющей светового потока незначительно влияет на качество освещения, рабочего места, текста и т.п. Автор встречал в Интернете устройства с подсветкой оранжевыми светодио-дами. Повторение некоторых из этих конструкций и экспериментальная замена оранжевых светодиодов белыми показала, что оранжевый свет, по сравнению с белым, дает более контрастную подсветку.
Учитывая особенности света белых и оранжевых светодиодов, при самостоятельном изготовлении осветительных приборов, желательно устанавливать в них и те и другие разновидности светодиодов в соотношении 3 (белых) к 1 (оранжевому) или 2 к 1.
Замечу, что все эти «хитрости» не нужны при использовании, так называемых, RGB-светодиодов.
RGB-светодиод или трехцветный светодиод -это совмещенные в одном корпусе светодиоды красного, зелёного и синего цветов. Обычно у этих трех светодиодов обьединены плюсовые (с общим анодом) или минусовые (с общим катодом) выводы, соответственно, всего у RGB-светодиода четыре вывода, хотя иногда бывает, что все шесть выводов этого полупроводникового прибора делают раздельно.
Для управления RGB-светодиодами нужны более сложные схемы, чем для управления монохромными светодиодами.
Автор: Игорь Безверхний, г. Киев
Источник: Радиоаматор №3, 2015
