CZ201790A3 - LED zdroj typu DVN/DEN - Google Patents

Abstract

Řešení se zabývá LED světlem s minimálně dvěma režimy svícení, které jsou jednoduše přepínatelné vypínačem. První režim zcela eliminuje světlo modré vlnové délky, jehož působení na lidský organismus v noci škodí. Je vhodné toto světlo rozsvěcet všude po deváté hodině večerní a používat ho až do východu slunce. Druhý režim je již s nízkým obsahem modré vlnové délky a je vhodné ho používat v odpoledních hodinách a při relaxaci. Třetí režim již plnohodnotně představuje denní sluneční světlo s vysokou hodnotou CRI a mělo by se používat pouze během dne. Přepínání režimů je nastaveno tak, že po vypnutí světla a opětovném zapnutí je nejprve vždy rozsvícen první režim s monochromatickou červenou, tudíž při každém probuzení a rozsvícení světla nedojde k ovlivnění cirkadiánních cyklů.

Description

Oblast techniky

LED světla s variabilním výběrem úrovně osvětlení a eliminací modrých vlnových délek

Dosavadní stav techniky

Před více než 130 lety se lidé chystali ke spánku po západu slunce a neovlivňovalo je žádné umělé osvětlení, avšak s objevem žárovky se doba uložení ke spánku posunula a den se začal uměle prodlužovat, s tím také u vysokého počtu lidí vzrostla nespavost. Vlákna prvních žárovek tvořila zuhelnatělá bambusová vlákna nebo zuhelnatělé bambusové nitě, které vydávaly světlo shodné se světlem ohně, čili červené monochromatické světlo bez modrých vlnových délek. Později se jako nejvhodnější materiál začal používat wolfram, který je používán dodnes, světlo vyzářené wolframovým zdrojem již obsahuje modrou vlnovou délku. Nej novějším světelným zdrojem jsou LED zdroje, které využívají modrou diodu, která emituje záření v oblasti kratších vlnových délek, nebo se bílé světlo tvoří pomocí RGB čipů, tedy smícháním tří základních barev. Kromě světelných zdrojů se postupně objevily na trhu LED televize, mobily, tablety atd., které vyzařují do očí modré světlo celý den, i po západu slunce.

Vznikající problém však nepociťujeme vědomě, ale vnímají to melanopsinové gangliové buňky v sítnici oka. Tyto buňky ovlivňují cirkadiánní cykly, které našemu tělu říkají kolik je hodin. Klíčovou roli při synchronizaci našich vnitřních biologických hodin hraje hormon melatonin, pro jehož tvorbu je úplná tma nezbytná. Melatonin kromě řízení spánku působí preventivně proti vzniku rakoviny, zpomaluje stárnutí a pomáhá proti Alzheimerově či Parkinsonově chorobě. Hodnoty melatoninu se nám snižují při nočních pracovních směnách nebo například, když se uprostřed noci probudíme a rozsvítíme si světlo s modrou vlnovou délkou. Hranice, která neovlivňuje hladinu melatoninu je nad 600 nm, což je vlnová délka pro červenou barvu. Tudíž zdroje s velkým podílem modré barvy, jež mají vlnovou délku kolem 460 nm, by se v noci neměly vyskytovat, případně by se měly vyskytovat pouze tam,

··· ·· · · · ···· · · · · • · · · · · • ·· ·· · · ·· ··· · kde je zapotřebí udržet lidskou pozornost, jako jsou operační sály, letecký provoz atp. Člověk nepotřebuje v noci náhradu denního osvětlení, nepotřebuje přesně rozpoznat barvy, potřebuje pouze vidět, k čemuž je načervenalá barva světla dostačující. Řešením je používat elektronické přístroje po 21 hodině s červenými brýlemi nebo s aplikovaným červeným filtrem. Doposud, jako vhodný zdroj svícení používaný po 21 hodině v domácnosti byl buď oheň nebo žárovka s wolframovým vláknem ztlumená pomocí stmívače. (MEDŘICKÝ, Hynek. Světlo a jeho vliv na lidský organismus. Světlo. 2015, 2015(6), 53-57.)

V dnešní době více než 60 % populace žije v prostředí se světelným znečištěním v noci. Hladiny osvětlenosti v urbanizovaných územích běžně dosahují hodnot kolem 20-80 lux, ale nejsou i výjimky, kdy hodnoty přesahují 100 lux, což je tisícinásobně větší světelná intenzita, než má měsíc v úplňku. Vysoké zastoupení modré spektrální barvy může mít negativní vliv na kvalitu spánku osob v okolních objektech a dokonce na životní cykly zvířat, hlavně ptáků. Světlo uprostřed noci organismus mylně vnímá jako signál dne a spouští biochemické procesy zajišťující jeho denní aktivitu, tím podporuje jeho vyčerpání (Bumett D. (2015) First do not harm: Practicing lighting design or medicíně...without licence? Lecture at 6th Velux symposium, London.).

Princip činnosti LED spočívá ve vyzáření energie ve formě fotonů, při průchodu elektrického proudu přes polovodičový přechod, který tvoří polovodičový materiál, nej častěji GaN nebo InGaN. LED dioda vyzařuje pouze určitou barvu a pro optimalizaci barevného podání bývá dioda pokryta luminoforem, případně je světlo tvořeno kombinací základních barev RGB. Nej důležitější vlastnosti LED jsou: teplota chromatičnosti a index podání barev. Teplota chromatičnosti se udává v kelvinech a vyjadřuje barevné podání světla. Platí, že čím více má dioda kelvinů, tím více se umělé světlo podobá dennímu slunečnímu záření. Klasické žárovky mají hodnotu kolem 3000 K, bílé studené světlo LED ji má kolem 5000 K, které se již přibližuje dennímu jasnému světlu. Teplota chromatičnosti světel v bytě by se měla lišit podle jejich aplikací (do kuchyně větší teplotu chromatičnosti než v ložnici).

Druhou důležitou vlastností je index podání barev (CRI), který určuje schopnost světelného zdroje reprodukovat barvy osvětleného objektu v porovnání s přirozeným slunečním světlem. Ideální hodnota je 100, což odpovídá dennímu slunečnímu svitu, nejběžnější používaná LED světla mají hodnotu CRI kolem 80.

Výrobců LED světel je mnoho, avšak neřeší úplnou eliminaci modrého světla, jehož působení je pro člověka v noci nezdravé.

-sPodstata vynálezu

Přihláška vynálezu se zabývá LED světlem se třemi režimy svícení, které jsou jednoduše přepínatelné vypínačem. Každý režim koresponduje s přirozeným slunečním svitem, kdy přes den je záření nejvíce intenzivní o teplotě chromatičnosti přes 5000 K, v odpoledních hodinách se teplota chromatičnosti snižuje a při západu slunce se teplota chromatičnosti sníží na 1500 Ks eliminací modré vlnové délky. LED zdroj typu DVN/DEN je tedy vhodný všude tam, kde se připravujeme na začátek dne, vracíme se tam během dne a připravujeme se ke spánku, je vhodný jak do koupelny, tak do ložnice. Perfektně nám za jakékoliv denní doby posvítí a navíc neovlivní naše cirkadiánní rytmy ani když se v noci probudíme a rozsvítíme ho. Využíváním tohoto světla se ráno sami probudíme plní energie a navíc s doplněnou hodnotou melatoninu.

První režim je pouze monochromatické záření s vlnovou délkou kolem 580 až 594 nm s výkonem 2 W. Druhý režim má vlnovou délku spektra světelného zdroje od 380 do 750 nm s výkonem 5 W, minimálním pikem modré vlnové délky a teplotou 2600 až 2900 K a třetí od 380 do 680 nm s výkonem 7 W a teplotou 3500 až 4000 K. Na keramické destičce jsou umístěny LED čipy technologie SMD (surface mount device). Jsou s výhodou rozmístěny tak, aby na okraji byly bílé čipy, ve středu jen oranžové a mezi středem a okrajem teple bílé a oranžové.

První režim zcela eliminuje světlo modré vlnové délky, jehož působení na lidský organismus v noci škodí. Je vhodné toto světlo rozsvěcet všude po deváté hodině večerní a používat ho až do východu slunce. Druhý režim je již s modrou vlnovou délkou a je vhodné ho používat v odpoledních hodinách a při čtení. Třetí režim již plnohodnotně představuje denní sluneční světlo a mělo by se používat pouze během dne od východu slunce po stmívání, jak doma, tak i v kancelářích.

Přepínání režimů je nastaveno tak, že po vypnutí světla a opětovném zapnutí je nejprve vždy rozsvícen první režim s monochromatickou červenou, tudíž při každém probuzení a rozsvícení světla nedojde k ovlivnění cirkadiánních cyklů a kvality spánku.

Navíc hodnoty indexu podání barev jsou u druhého a třetího režimu 97, čili téměř odpovídají přirozenému slunečnímu svitu.

-Η-

Světelný zdroj s přepínáním do bezpečného režimu světla pro pozorovatele

1) Koncept - základní myšlenka

V běžné praxi osvětlování interiérů i exteriérů používáme umělé zdroje světla více než 100 let a typické pro ně je, že jsou technicky navrženy jen pro jeden režim vyzařovaného světla. Život na planetě se ovšem odehrává miliony let v přirozených podmínkách proměnlivého charakteru osvětlení, což je navíc zřejmě i jeden ze základních faktorů pro fungování živé přírody jak jí známe - princip střídání dne a noci. Vědecké výzkumy z posledních desetiletí vypovídají o tom, že je dosud vliv tzv. moderních světelných zdrojů na zdraví lidské populace silně podceňován. Ekonomická orientace průmyslových civilizací v důsledku masivního používání umělých zdrojů pro účely prodloužení dne /či doby po kterou je možné pracovat/ výrazně narušuje přirozené noční podmínky, které vývojově pro člověka znamenaly režim spánku, přičemž se jedná o souhrn několika vlastností používaného světla a nikoli o jeden dílčí parametr jako je např. intenzita osvětlení apod. Předložený koncept přináší rozšíření dosavadní nabídky světelných zdrojů o produkty, které pracují s několika provozními režimy zaměřenými na ergonomii a zdravotní dopady na pozorovatele zejména v oblasti narušování spánkového režimu.

2) Vstupní podmínky a předpoklady

Vědecké práce dokládají, že organismus živočichů je z dlouhodobého vývoje navyklý na určitý průběh změn charakteru světla v průběhu fází dne a dle těchto změn do značné míry fungují i tzv. biologické hodiny živých organismů a samozřejmě tedy i člověka. Dosud masově produkované světelné zdroje slouží především pro účely náhrady denního světla např. v uzavřených prostorech nebo umělého prodloužení dne do večerních a nočních hodin. Takové světlo vyhovuje předpokladu, že pod ním bude člověk vykonávat nějakou aktivní činnost jakou byl tradičně zvyklý provozovat za denního světla (práce, sport, studium). Ovšem už nevyhovuje dalším fázím, které jsou pro průběh dne typické a pro zdraví nesmírně důležité - jedná se o fázi večerní relaxace (útlum a změny přirozeného denního světla před západem slunce) a potom

-y• · · ·

fázi přípravy na spánek, což bylo dlouhodobě doprovázeno pobytem v prostředí slabě osvětleném ohněm. Technické údaje z výsledků vědeckých výzkumů také ukazují která pásma viditelného spektra jsou pro zdravý a přirozený průběh uvedených fází relaxace a spánkové přípravy důležitá:

a) kritické modré pásmo - typ. 440 - 470 nm

- způsobuje vnitřní probuzení organismu a brání přípravě na spánek

b) jasové žlutozelené pásmo - typ. 520 - 575 nm

- v tomto pásmu jsme nejcitlivější z hlediska jasu a takové osvětlení nás pomáhá udržet v aktivním režimu

c) oranžové pásmo - typ.585-610 nm

- zde je oblast světla optimálního pro fázi večerní relaxace a zároveň začíná bezpečné pásmo pro případnou přípravu ke spánku

d) červené pásmo - typ. 610 - 700 nm

- je zcela bezpečné pro noční spánkovou fázi, navíc začíná prudce klesat jasová citlivost lidského zraku a takové osvětlení je tedy prakticky vnímáno jen jako velmi slabé

Navrhovaný koncept světelného zdroje tedy předpokládá, že alespoň jeden z provozních režimů bude zcela prost energie v kritickém modrém pásmu a) /resp. utlumen o několik řádů proti dominantnímu pásmu c) nebo d).

Přepnutí či postupný přechod do bezpečného režimu pro relaxaci/spánek může nastat různým způsobem:

-6• ·

e) v automatizovaném režimu

- na základě součinnosti např. s čidlem pro jas přírodního světla nebo s jakýmkoli propracovanějším řídícím systémem

f) přímým přepnutím uživatelem

- v tomto případě tento koncept předpokládá že bezpečný režim má být v pořadí tím prvním, ve kterém zdroj začíná zářit po aktivaci z vypnutého stavu.

3) Možnosti technické realizace

Autor konceptu se zabývá související tématikou několik let a prakticky provozuje řadu prototypů a zkušební sérii reálných světelných zdrojů odpovídajících předloženému konceptu. V principu je možné v současnosti využít několik postupů jak uvedené požadavky splnit pomocí dostupných technických prostředků ale jen málo z nich odpovídá obecným požadavkům na ekologii, energetickou účinnost, bezpečnost a cenovou dostupnost. Možnosti měnit charakter zíkaného světla jsou tedy u dosud běžných jednoúčelových světelných zdrojů silně omezené na filtraci po vyzáření primární energie, což z fyzikálního principu znamená obvykle dramatickou ztrátu v energetické účinnosti a tato cesta se tedy nejeví jako perspektivní z několika důvodů. Reálně lze předpokládat produkci pouze s využitím technologií které vykazují vysokou účinnost a zároveň jsou postaveny na dobré dostupnosti použitých materiálů.

Navrhovaný koncept počítá přednostně s využíváním běžně dostupných základních materiálů, technologií a komponent pro dosažení spolehlivosti, výrobní dostupnosti a kompatibility s běžnými systémy pro osvětlení atd. Ověřovací série světelných zdrojů navržených dle tohoto konceptu využívá kombinaci LED-prvků, pro něž je typické využití určitých slitin kovových materiálů aby bylo dosaženo vyzařování světla v příslušných pásmech:

g) Nitrid Indium-Galium (InGaN)

-ϊ-

- používá se pro kratší vlnové délky, tedy pro světlo spojované s aktivní denní činností

- tuto slitinu tedy považuj em za zcela nežádoucí pro režim relaxace/spánku

h) Fosfid Aluminium-Galium-Indium (AlGalnP)

- vyskytuje se při výrobě poměrně rozšířených červeno-oranžových LED-prvků a splňuje požadavky na bezpečné pásmo pro relaxaci/spánkovou přípravu

i) Arsenid Galia (GaAs)

- typický materiál pro čistě červené světlo na okraji viditelného spektra a tedy zcela bezpečné i pro režim nočního spánku

Pokud bychom uvažovali realizaci mimo oblast LED technologie, tak je možné zmínit fluorescenční výbojky, kde se pro světlo v uvedené červeno-oranžové oblasti relaxace využívá typicky sloučenin na bázi Yttria, ovšem jedná se o poměrně vzácný kov a vzhledem k dalším nevýhodným vlastnostem technologie výbojek nelze v blízkých letech předpokládat rozvoj výroby dostupných zdrojů dle navrhovaného konceptu.

4) Předpokládaný přínos

Při posuzování dosavadních světelných zdrojů s nějakou možností přepínání, přechodových fází apod. lze zjistit, že pokud se v minulosti nějaká technická řešení zabývala bezpečností, tak se jednalo přednostně o ochranu samotného zdroje, technického systému či třeba majetku apod. Předložený koncept ale uvažuje o bezpečném režimu světelného zdroje ve zcela jiných a nových souvislostech dlouhodobého účinku na zdraví člověka.

Vzhledem k celoevropskému úsilí o snížení spotřeby elektřiny existuje sice i nadále možnost svítit pozdě večer a v noci v interiérech ztlumenými halogenovými

žárovkami a v exteriéru sodíkovými výbojkami, avšak povědomí o úspornosti LED zdrojů se šíří a vede k jejich obecné preferenci na úkor stávajících zdrojů, jejichž příkon před ztlumením spotřebitele odrazuje. Aby nedocházelo k narušování cirkadiánních rytmů a zejména nočních imunitních a regenerativních pochodů obyvatel i celých ekosystémů žijících blízko lidských sídel či komunikací, navrhuji vyrábět a používat přepínací LED zdroje typu DVN (Den- Noc- Večer), které se budou manuálně či automaticky přepínat podle denní doby v souladu s cirkadiánními rytmy.

DVN-3

V době od soumraku, který např. v prosinci nastává kolem 16. hodiny, do večera funguje zdroj v režimu Den a v plné míře vyzařuje krátkovlnné fotony, podobně jako slunce přes den v létě. Navečer se zdroj automaticky či manuálně přepne do režimu Večer, v němž vyzařuje výrazně menší množství krátkovlnných fotonů a více dlouhovlnných, což simuluje situaci před západem slunce. Následně ve 21 hodin, tedy 90 minut před obvyklou dobou ukládání se k spánku (kdy klesá dopravní provoz), se DVN zdroj přepne do režimu Noc, kdy vyzařuje světlo zcela bez krátkých vlnových délek a tudíž nenarušuje cirkadiánní rytmy. Vzhledem k tomu, že 65 % čípků v lidském oku zachycuje fotony dlouhých vlnových délek, 33 % čípků slouží k zachycování středních vlnových délek a jen 2 % čípků zajišťuje vidění v krátkovlnné oblasti, přepnutí na dlouhovlnné světlo nezhorší vidění, naopak, pro odpovídající zrakovou orientaci postačuje výrazně menší množství dlouhovlnných fotonů (červeného a oranžového světla), než je tomu v případě světla krátkovlnného (modré, zelené). Brzy ráno se DVN zdroj naopak přepíná nejprve do režimu Večer a následně do režimu Den, v němž svítí až do plného rozednění.

DVN-2

V době od západu slunce do pozdního večera funguje svítidlo v režimu Den a vyzařuje velké množství krátkovlnných fotonů, podobně jako letní slunce. Pozdě večer se přepne do režimu Noc, v němž vyzařuje pouze světlo dlouhých vlnových délek. Ráno se zdroj přepne zpět do režimu Den.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1:	Citlivost na vlnovou délku světla
Obr. 2:	Nevyhovující zdroj světla LED 3098 K- málo modré vlnové délky pro

práci, hodně modré vlnové délky pro relaxaci

Obr. 3:	Komerční LED žárovka 4034 K s nízkou hodnotou CRI
Obr. 4:	1. fáze LED zdroj typu DVN/DEN
Obr. 5:	2. fáze LED zdroj typu DVN/DEN
Obr. 6:	3. fáze LED zdroj typu DVN/DEN
Obr. 7:	Schématický nákres žárovky typu DVN/DEN
Obr. 8:	Systém osvětlení veřejného prostoru typu DVN/DEN
Obr. 9:	Schéma zapojení žárovky typu DVN/DEN
Obr. 10:	Vlastnosti zdrojů světla

Příklady

Příklad 1

Přepínatelný LED zdroj typu DVN (označení pro český trh)/DEN (označení pro světové trhy)

LED zdroj typu DVN/DEN se automaticky nebo manuálně přepíná do tří (DVN-3) nebo dvou (DVN-2) režimů s CCT a spektrálním složením vhodným pro danou část dne:

Režim Noc/Night, oranžové světlo nenarušující produkci hormonu melatoninu, s výrazně potlačeným podílem krátkovlnných fotonů nebo zcela bez krátkovlnné složky (umožňuje plnohodnotný spánek).

Režim Večer/Evening, teplé žluté světlo podobné klasické žárovce nebo slunci před západem, s malým podílem krátkovlnných/modrých fotonů (vhodné pro relaxaci).

Režim Den/Day, bílé denní světlo podobné slunci přes den, s výrazným podílem krátkovlnných fotonů (podporuje kognitivní výkon mozku)

V této chvíli existují pouze manuálně přepínatelné interiérové DVN-3 zdroje, přepínání se realizuje opakovaným stiskem spínače v intervalu kratším než 10 s. Ve vývoji jsou automaticky přepínané zdroje DVN-3 a DVN-2 vhodné pro veřejné osvětlení.

-10Příklad 2

Použití světelného zdroje typu DVN

Světelný zdroj je přepínatelný do tří fází pomocí jakéhokoliv vypínače. Lze přepínat vypínačem na lampičce či vypínačem ve zdi. Následné okamžité zapnutí za 1 sekundu nepřepne do další fáze. Pro přepínání fází 1-10 sekund. Po sedeti sekundách zhasnutí se zdroj automaticky přepne do výchozí oranžové barvy.

1. Krok-2 W, 592 nm

Stiskem spínače se žárovka rozsvítí monochromatickou oranžovou, vhodnou pro noční svícení, která nenarušuje cirkadiánní rytmy.

2. Krok - 5 W, 2700 K, 97 Ra, 330 lm

Druhým stiskem se sepne teplá bílá barva, simulující světlo 90 minut před západem slunce

3. Krok - 7 W, 4000 K, 97 Ra, 490 lm

Třetím stiskem se sepne denní bílá barva, která má stejné hodnoty jako slunce v pravé poledne. Tato fáze je vhodná pro práci, udržuje člověka v pozornosti.

Průmyslová využitelnost

Zdroj světla vhodný do domácností i do veřejného osvětlení, který je volitelně přepínatelný na tři režimy, přičemž první režim zcela eliminuje modrou vlnovou délku světla.

Claims (2)

1. LED zdroj typu DVN/DEN vyznačující se tím, že se automaticky nebo manuálně přepíná do tří (DVN-3) nebo dvou (DVN-2) režimů s CCT a spektrálním složením vhodným pro danou část dne: režim Noc/Night, oranžové světlo nenarušující produkci hormonu melatoninu, s výrazně potlačeným podílem krátkovlnných fotonů nebo zcela bez krátkovlnné složky (umožňuje plnohodnotný spánek), režim Večer/Evening, teplé žluté světlo podobné klasické žárovce nebo slunci před západem, s malým podílem krátkovlnných/modrých fotonů (vhodné pro relaxaci), režim Den/Day, bílé denní světlo podobné slunci přes den, s výrazným podílem krátkovlnných fotonů (podporuje kognitivní výkon mozku).

2. LED zdroj typu DVN/DEN podle nároku 1 vyznačující se tím, že automaticky přepínané zdroje DVN-3 a DVN-2 jsou vhodné pro veřejné osvětlení.