A maior parte do padrão de iluminação atual “branco” luzes LED para aquários de plantas usam semicondutores InGaN para emitir luz na parte azul do espectro, combinado com granada de ítrio e alumínio (YAG) fósforos (dopado com cério). Os fótons azuis da maioria dos LEDs são absorvidos pelo fósforo e reemitidos na parte amarela do espectro. A mistura dos fótons azuis restantes e da iluminação amarela fornece uma boa aproximação da luz branca ao olho.
Esta combinação de LED e fósforo é uma tecnologia comprovada com bom desempenho, mas não perfeita. Uma desvantagem óbvia deste LED é a falta de componentes de luz colorida relacionados ao vermelho. A temperatura da cor (CCT) da luz emitida por este led é relativamente fraca e o índice de reprodução de cores (Cri) é relativamente baixo. A combinação de fósforos YAG com outros materiais aumentará a luminescência vermelha, levando à disponibilidade de “esquentar” luz led branca para plantas, mas ao custo da eficácia arduamente conquistada.
Este artigo discute como fazer o fósforo funcionar para a iluminação LED de aquários de plantas para enfrentar os desafios, e então considera como a pesquisa de fósforo impacta a eficiência da iluminação de estado sólido, CCT e CRI.
O que é fósforo YAG
YAG é um material químico profissional com alto teor de fósforo e pode aumentar o brilho do LED. O material contém cério, elemento de terras raras (rotulado cientificamente como Y3Al5O12: Ce3 +). Foi sintetizado pela primeira vez em 1967. O método de síntese foi obtido melhorando o processo de material de fósforo CRT.
Princípio de funcionamento do fósforo YAG
O princípio específico é que os fótons azuis emitidos pelo LED azul são absorvidos pelos elétrons externos das moléculas ou átomos constituintes do fósforo YAG.. Os elétrons que absorvem a energia do fóton contêm energia mais alta e mais rápida, e fará a transição para a região de maior energia. Este processo é chamado transição de elétrons. A energia será liberada no processo de transição do elétron para um novo estado estável, Fótons com comprimentos de onda maiores que os fótons absorvidos (ligeiramente vermelho, um pouco de verde e um grande número de amarelo), outras partes da energia serão irradiadas como energia térmica, e os elétrons mudarão de um estado ativo para um estado estável.
Princípio de geração de luz branca da luz LED para aquário de plantas
A principal luminescência amarela do fósforo YAG e a radiação azul diretamente da luz LED da planta são combinadas através do YAG:Revestimento Ce “vazamento”, o que pode ser uma boa aproximação da luz branca, que converte a luz azul em “luz branca” através da absorção e reemissão do fósforo. O fenômeno é chamado de mudança de Stokes, nomeado em homenagem ao físico irlandês George G. Stokes, que descreveu esse efeito em um artigo em 1852. A figura acima mostra como ocorre o deslocamento de Stokes através das curvas de absorção e emissão de fósforos YAG.
Vantagens do fósforo YAG
A figura acima mostra a curva de emissão espectral relativa da luz LED branca moderna para plantas usando fósforos YAG (nesse caso, OSRAM OSLON SSL 150 LED produz 136 eu (corrente direta 350 mA, tensão direta 3.1 V), com uma eficiência de 125 lm/W. A linha tracejada é uma função da sensibilidade do olho, indicando como o olho responde à luz de diferentes comprimentos de onda. Embora o primeiro pico (correspondente ao fóton azul diretamente do LED) é maior, é menos óbvio porque o olho é sensível à luz. Insensível Em contraste, os fótons emitidos pelo fósforo estão centrados em 560 nm - o ponto onde o olho sente melhor a luz.
Por ser uma tecnologia comprovada que produz resultados aceitáveis, as características do YAG representam a referência para outros fósforos LED. O fósforo YAG não só pode absorver fótons azuis com eficiência, mas também libera energia rapidamente. Depois que os elétrons atômicos do fósforo YAG absorvem a energia dos fótons azuis, eles liberarão rapidamente fótons amarelos e energia, o que efetivamente reduz o fenômeno de extinção de saturação. Este é um processo no qual os fótons emitidos são geralmente “submerso” e evitar que o alto fluxo de fótons na matriz de fósforo escape.
Os fósforos YAG têm muitas vantagens para outras aplicações de LED., O fósforo YAG tem uma alta taxa de conversão de fótons. Sob a irradiação da luz azul, O fósforo YAG pode converter 80% da energia azul absorvida em luz de comprimento de onda mais longo. Segundo, O fósforo YAG tem boa estabilidade, mesmo que seja excitado por LED azul por um longo período ou fique exposto ao ar por um longo período, raramente irá degradar. Finalmente, a síntese de fósforos YAG é relativamente simples e o custo é relativamente baixo. A maioria dos materiais utilizados são materiais usados para sintetizar CRT de fósforo tradicional, incluindo matérias-primas químicas de alta pureza Y2O3, Al2O3, CeO2, etc..
Desvantagens do fósforo YAG
Apesar do desempenho comprovado dos LEDs, Os fósforos YAG não são perfeitos. Dois problemas práticos são “têmpera de temperatura” e estabilidade química relativamente baixa. A razão para a extinção da temperatura é difícil de entender, mas em termos leigos, o aumento da temperatura fará com que os elétrons geralmente absorvam fótons azuis (e então emite amarelo) “ausente” (em outras palavras, átomos são ionizados). O fósforo YAG será afetado pela extinção de temperatura em cerca de 200°C, e o LED não experimentará temperatura anormalmente alta durante a operação normal. Além disso, a baixa estabilidade química do material limita a vida útil do LED (definido como o ponto em que a luminosidade do dispositivo diminui), o que reduz o rendimento em 70% quando é novo. O fabricante refuta este argumento apontando que a moderna luz LED branca para plantas pode operar por 30,000 horas ou mais, mas os pesquisadores dizem que isso é medido sob “ideal” condições de operação, e a instabilidade química podem afetar ambientes agressivos O desempenho do equipamento utilizado.
No entanto, talvez o maior desafio enfrentado pelos fósforos YAG seja o desafio estético. Os fabricantes de iluminação de estado sólido estão ansiosos para que os consumidores aceitem esta tecnologia, mas uma reclamação comum é que o “deslumbrante” a luz produzida pela luz led branca da planta quase não tem “cordialidade” trazido pela iluminação incandescente tradicional. Essa sensação se deve ao fato do fósforo YAG produzir “azul” luz branca com pouco conteúdo de luz vermelha. O resultado é leve com alto CCT (5000 para 8300K). A falta de um comprimento de onda vermelho significativo introduz outro problema para dispositivos de fósforo YAG: CRI ruim. CRI é uma medida do grau em que uma fonte de luz iluminante reproduz a cor de um objeto em comparação com a luz solar (IRC é 100). Apesar das deficiências óbvias, o CRI de uma lâmpada incandescente é cerca de 95. Em contraste, luz led branca fria para plantas geralmente tem um CRI de 70 para 80.
Geração de luz vermelha em luz LED para aquário de plantas
Fabricantes de LED resolveram os desafios da CCT e do CRI até certo ponto, misturar fósforo YAG com outro fósforo com comprimento de onda vermelho adicionado para estender o CCT a áreas mais quentes e melhorar o CRI. Substituir LEDs UV por LEDs azuis pode melhorar ainda mais o CCT e o CRI. Os fabricantes de LED fornecem produtos comerciais Produtos UV para este fim. Por exemplo, Philips Lumileds oferece uma versão ultravioleta de seu LED Luxeon. O dispositivo emite um comprimento de onda entre 395 e 400 nm, e a intensidade mínima de radiação em 500 mA é 525 mW/sr. (Devido à incapacidade do olho de ver a luz ultravioleta, a intensidade radiante (watts / esterradiano) de LEDs UV é avaliada em vez da eficiência mais familiar (lm/W) dados citados por LEDs brancos.)
A principal desvantagem de adicionar “vermelho” fósforos é a eficiência reduzida do LED. Para piorar as coisas, o limite de extinção de temperatura do fósforo vermelho é ainda menor do que o do fósforo YAG, reduzindo ainda mais a eficiência da temperatura operacional típica do LED.
A luz LED branca para aquário de plantas MOKOLight tem uma tensão de trabalho de 350 mA e 2.85 V, mas o branco frio (5000 K) versão tem uma luminosidade de 135 lm e uma eficácia de 135 lm/W, enquanto o brilho do branco quente (2700 K) é respectivamente É 97 eu e 97 lm/W. Comparado com dispositivos brancos frios, produtos brancos quentes de outros fabricantes apresentam baixa eficiência semelhante. A figura acima mostra a diferença entre o CCT e o CRI do LED azul e do fósforo YAG, e a mistura de LED UV e fósforo YAG e fósforo vermelho.
Esforços para melhorar a eficiência do fósforo
Nos últimos quinze anos, a busca pela eficiência do LED tem sido um fator chave no desenvolvimento de componentes de iluminação de estado sólido para os principais fabricantes. Progresso significativo foi feito na geração inicial de fótons e na extração de fótons do molde. A última coisa que os fabricantes desejam é a eficiência de conversão relativamente baixa dos fósforos vermelhos, o que afeta a luminosidade de seus LEDs brancos quentes.
Os fabricantes investem mais tempo e experiência na pesquisa de novos materiais de fósforo, na esperança de obter fósforos com maior taxa de conversão óptica, e os fósforos podem emitir mais luz colorida e ter melhor reprodução de cores. Os produtos candidatos mais promissores são nitretos e materiais de oxinitreto, que usam outro elemento raro, o metal európio (UE) para substituir as propriedades de eletroluminescência do cério. Muitos desses novos fósforos podem ser excitados com LEDs roxos ou azuis e combinar com a sala com a eficiência quântica de alta temperatura do YAG: Ce fósforos. Além disso, o fósforo nitreto não se degradará sob condições de alta temperatura/alta umidade, por isso é adequado para iluminação LED em ambientes agressivos.
Uma série de fósforos de óxido de nitrogênio de alta eficiência são MSi2O2N2: UE 2 + (onde M = Ca 2 +, Sr. 2 +, Bá 2 +) composição, com uma faixa de emissão de 575 para 675 nm, em temperaturas superiores a 200°C , A eficiência quântica é maior que 85% (Figura acima). O amarelo, laranja e vermelho UE 2 + a luz colorida transformada por esses nitretos de fósforo é combinada com a luz verde gerada pelo YAG. A luz branca sintetizada tem melhor temperatura de cor e maior reprodução de cores do que a luz branca sintetizada anteriormente. Atualmente, a luz branca quente do mercado é basicamente feita da mistura fosforescente de caalsin3: UE 2 + e YAG: CE combinado com LED azul.
Uma desvantagem é que embora estes novos materiais tenham um grande potencial, sintetizá-los é muito mais difícil do que os fósforos tradicionais. No entanto, isso não impediu que alguns fabricantes empreendedores comercializassem fósforos de nitreto. A Intematix adicionou materiais de nitreto vermelho à sua linha de produtos de fósforo em 2011. Os fósforos da empresa são usados em LEDs brancos quentes de alta eficiência para iluminação geral, fornecendo aos clientes incentivos adicionais para protegê-los de certas questões de licenciamento de patentes.
A empresa afirma que o novo fósforo permitirá ao mercado de iluminação criar aplicações de branco quente com maior eficiência e maior CRI (até 98) do que as soluções tradicionais de fósforo YAG. Diz-se que a utilização deste novo tipo de fósforo permite aos clientes (legalmente) contornar certas patentes relacionadas à aplicação de fósforos YAG, caso contrário, incorrerá em taxas de licenciamento.
Perspectiva de desenvolvimento de luz LED fluorescente para aquário de plantas
Luz LED branca quente de alta eficiência para plantas estão prestes a ser lançados. À medida que os fabricantes tentam convencer os consumidores de que a iluminação de estado sólido é uma alternativa prática à iluminação tradicional, a eficácia dos LEDs foi bastante melhorada. No entanto, é difícil encontrar um maior crescimento na produção de fótons e na extração de luz, portanto, os fabricantes de LED estão cada vez mais voltando sua atenção para outros aspectos das características do chip para obter melhor desempenho.
Um aspecto são os fósforos, especialmente aqueles usados para adicionar comprimentos de onda vermelhos à saída da luz LED branca da planta para fazer o dispositivo parecer mais quente. Soluções tradicionais ampliaram o CCT e o CRI do produto para atender os consumidores’ necessidades de várias opções de temperatura e reprodução fiel de cores, mas negam alguns dos efeitos duramente conquistados com a introdução de outras tecnologias. Espera-se que fósforos baseados em nitretos e oxinitretos dopados com európio produzam novos materiais com bons CCT e CRI, mas com uma eficiência quântica comparável (ou melhor) para fósforos YAG puros usados na moderna luz LED branca fria de alta eficiência para plantas. Alguns materiais estão sendo introduzidos no mercado, e os engenheiros devem esperar que uma nova geração de luz LED branca quente mais eficiente seja lançada em breve.
