Crede și nu cerceta ! Cât de dăunător este iluminatul cu LED ?

Prof. Dr. Eng. S. Matei-Electromagnetica SA

Preambul

Mulțumesc D-lui Ing. Cornel Sfetcu pentru opinia exprimată în “De ce nu vă mai cred”, care a inspirat de altfel și acest articol intitulat cu sarcasm: „Crede și nu cerceta”. În mod deosebit însă este de apreciat salutul de “Drum bun către Lumină” adresat Prof. Bianchi care s-a stins ca o lumină și căreia i-a dedicat de altfel întreaga carieră. Nu l-am cunoscut îndeaproape dar în memoria acestei personalități a iluminatului se impunea mai mult decât un necrolog în pagina CNRI. Din nefericire însă această țară nu are deprinderea recunoașterii personalităților și nici educația celebrării acestora. Ca mulți alții, deci și pentru Prof. Bianchi, palmaresul profesional și realizările științifice au rămas așadar simple cuvinte dintr-un necrolog. Odată cu trecerea sa în neființă, se cuvine să recunoaștem cu amărăciune că s-a stins și licărirea cunoașterii și recunoașterii activității românești din iluminat.

Partea întunecata a luminii
Deși paradoxal, există și o parte „întunecată” a luminii. Efectele negative cunoscute ca „efecte biologice ale radiației luminoase” sunt un subiect de contradicție și continuă să alimenteze pe bună dreptate scepticismul multora privind iluminatului de tip SSL. Numai că prezentarea surselor de lumină cu LED similar „diezului” din muzică, supranumit de altfel și „Dracula in music”, este adesea arbitrară. Evident însă că atunci când calitatea luminii este „vizibil” îndoielnică se impun restricții chiar dacă comercial „se vinde”. Din acest motiv utilizarea unor asemenea echipamente de iluminat, să le numim aici
„inadecvate/dăunătoare”, este reglementată prin Directiva E 2006/25 a Comisiei Europene. Aici sunt precizate cerințe minime de sănătate și siguranță privind riscurile expunerii la Radiațiile Optice Artificiale (AOR – Artificial Optical Radiation). De altfel, la fiecare cinci ani, statele membre, printre care deci și România, sunt obligate să prezinte Comisiei un raport privind aplicarea dispozițiilor acestei directive, consemnând punctele de vedere ale partenerilor sociali. În acest context sunt prevăzute chiar și sancțiuni care se aplică în cazul încălcării legislației naționale, care transpune prezenta directivă. Nu cred că există această legislație în România și care ar trebui să cuprindă și sancțiuni eficiente, proporționale și descurajante, așa cum, conform Art.12 din Legea 163/2015, există obligația „adoptării Standardelor Europene ca Standarde Române”.

Radiatiile Optice Artificiale

Grupul de risc pentru LED-uri, în funcție de timpul de expunere maxim admisibil și lungimea de undă, este precizat în Standardul European EN 62471 (Tabelul 1) dar și în raportul tehnic IEC 62778. Pericolele expunerii la lumina albastră ca urmare a sensibilității spectrale relative a ochiului uman este reprezentat de funcția B(l). Aceasta nu are dimensiuni și exprimă ponderea spectrală care ia în considerare raportul dintre lungimea de undă și leziunea
oculară fotochimică (Photic maculopathy: foto maculopatie) provocată de lumina albastră (Figura 1). Fotomaculopatia apare ca urmare a expunerii la radiații
luminoase directe și produce o reacție electrochimică care conduce la deteriorarea retinei. Au fost raportate cazuri multiple de la diferite surse, inclusiv microscoape de operare, raze laser, sudura cu arc, iluminare. Retinopatia solară are o patogenie similară, cu excepția faptului că tinde să fie binoculară și se datorează luminii solare.

Limitele emisiei pentru grupurile de risc ale lămpilor CW

Tabel 1

      Limitele emisiei pentru grupurile de risc ale lămpilor CW

Risk                        Action               Symbol                            Emission limits                                               Units                                   spectrum                                        Exempt         Low risk          Mod risk

Actinic UV SUV(l) Es 0,001 0,003 0,03 Wm-2
Near UV EUVA 10 33 100 Wm-2
Blue light B(l) LB 100 10000 4000000 Wm-2sr-1
Blue light B(l) EB 1,0* 1,0 400 Wm-2
small source
Retinal thermalR(l) LR 28000/a  28000/a 71000/a Wm-2sr-1
Retinal thermal,R(l)

weak visual stimulus**

LIR 6000/a    6000/a 6000/a Wm-2sr-1

 

IR radiation,

eye

EIR 100         570 3200 Wm-2
* Small source defined as one with a ; 0,011 radian. Averaging field of view at 10000 s is 0,1 radian
** Involves evaluation of non-GLS source

 

Leziunea oculară vs pondere spectrală

Lungime undă (nm)

Fig. 1 Funcția B(l):Ponderare spectrală care ia în considerare raportul
dintre lungimea de undă și leziunea oculară fotochimică provocată de
lumina albastră [fără dimensiune].

Efectele Radiatiilor Optice
Radiațiile optice generate de majoritatea surselor de lumină sunt incoerente în afară de laser, care emite orice radiație în intervalul de lungime de undă de la 100 nm la 1 mm. Printre sursele de radiații incoerente se află și echipamentele de proces industrial (de exemplu: sudură, cuptoare de uscare a vopselei, topire a metalelor și a sticlei etc.) dar și echipamente medicale (de exemplu lămpi pentru fototerapie neonatală, sterilizare, iluminare chirurgicală etc.). Bineînțeles însă că sursele incoerente sunt utilizate în mod frecvent în birouri (de exemplu, lămpi/aparate, echipamente de afișare, copiatoare, LED-uri pentru iluminat și semnalizare etc.) dar și în locuințe. Sumarul acestor efecte biologice ale radiației luminoase este următorul:
CATARACTA DE INFRARED, cunoscută sub numele de „cataractă de căldură industrială”, „cataracta cuptorului” sau „cataracta sticlei”.
Organ și zona afectată: Ochi / Lentila cristalină.
Interval spectral: 700 nm până la 1400 nm și, eventual, 3000 nm.
Acțiunea maximă: Cu frecvență necunoscută; probabil între 900-1000 nm.
– FOTOCHERATITA
Organ și zona afectată: ochi / cornee.
Interval spectral: (180-200) nm la (400-420) nm; în principal 200-320 nm.
Acțiunea maximă: aproximativ 270 nm (Pitts, 1971); aproximativ 288 nm (Cogan și Kinsey, 1946).
FOTORETINITA sau „leziuni retiniene cu lumină albastră”
Organ și zona afectată: ochi / retină.
Interval spectral: 400 nm până la 700 nm (în principal 400-500 nm) în ochi phakic (lentila cristalină intactă); 310 nm până la 700 nm în ochi aphakic (lentile cristaline îndepărtate) (în principal 310 nm la 500 nm).
Acțiunea maximă: Aproximativ 445 nm (Ham, 1976);aproximativ 310 nm în aphakic (Ham, 1980).
– LEZIUNE TERMICĂ A RETINEI
Organ și zona afectată: ochi / retină și coroidă.
Interval spectral: 400 nm până la 1400 nm (în principal 400 nm până la 1100 nm).
– CATARACTA DE ULTRAVIOLET
Organ și zona afectată: Lentilă ochi / cristalină.
Domeniul spectral: 290 nm până la 325 nm; posibil până la 400 nm.
Acțiunea maximă: Aproximativ 305 nm (Pitts, 1977) pentru cataracta acută; fără acțiune spectrul disponibil pentru efect la lungimi de undă > 325 nm (Lerman, 1980, Zigman, 1979).
– ERITEM DE ULTRAVIOLET
Organ și zona afectată: Piele.
Interval spectral: 180-200 până la 400-420 nm; în principal 200-320 nm.
Acțiunea maximă: Aproximativ 295 nm (Urbach, 1968, Anders, 1995); aproximativ 254 nm (Hausser, 1928, Coblentz, 1932, Freeman, 1966).
În prezent, cele mai utilizate diode emițătoare de lu mină albă (WLED) sunt cele cu conversie cu fosfor, realizate dintr-un cip InGaN emițător albastru și un fosfor „galben” pe bază de Ce (Ce: YAG) dispersat într-o rășină epoxidică organică sau silicon. Prin urmare, componenta spectrala albastră în domeniul 450-470nm este dominantă în comparație cu celelalte surse emițătoare de lumină (Figura 2).
De remarcat în această figură că între cele două tipuri de LED, alb rece și respectiv alb cald există o diferență vizibilă a ponderii spectrale pentru componenta albastră. Creșterea emisiei în regiunea albastră este rezultatul valorii ridicate a temperaturii de culoare corelată (CCT) și are ca efect expunere diferită la lumina albastră. În Figura 3 este prezentată diferența dintre distribuția spectrală a unei surse cu incandescență față de cea a unui LED cu valoare ridicată a indicelui de redare a culorii (CRI). Relația dintre temperatura corelată a culorii (CCT) și pericolul expunerii la lumină albastră, și anume că o sursă care emite mai multă lumină în regiunea albastră, cu atât CCT este mai mare, atunci și riscul expunerii la lumină albastră este mai mare, este menționat în IEC / TR 62778

„Aplicarea IEC/EN 62471 în evaluarea pericolului de lumină albastră pentru sursele de lumină și corpurile de iluminat”.
În conformitate cu EN 62471, sursele AOR incoerente sunt clasificate în grupuri de risc în funcție de potențialul lor de risc fotobiologic (domeniul UV, VIS și IR). Dacă o sursă de lumină este alocată unui grup „sigur” (grupa 0) sau unui grup cu risc scăzut (grupa 1), nu este nevoie de o evaluare detaliată a locului de muncă, deoarece nu există o problemă de siguranță fotobiologică. Este important de subliniat că fiecare grup este definit ca o funcție a timpului de expunere maxim admisibil. Pentru lumina albastră aceste valori sunt prezentate în Tabelul 2. Sub această valoare, o lampă nu prezintă risc fotobiologic pentru acest interval specific de lungime de undă.
Calculul timpului de expunere maximă admisibil (tmax) se face utilizând ecuația din ultima coloana a Tabelului 2 (de exemplu, tmax pentru pericolul expunerii la albastru poate fi calculat cu ecuația: tmax = 106/LB, unde LB este radiația albastră efectivă). Grupul de risc se determină prin compararea tmax rezultat cu valoarea limitei de expunere a fiecărui grup de risc (Tabelul 3).

 

Tabelul 3

Limitele timpului de expunere pentru albastru în funcție de grupul de risc

 Pericolul expunerii                     Limita timpului de expunere (sec)

RG0              RG1              RG2

Radiații de lumină                            10 000            100              0.25

albastră

Expunere la lumină

albastră a retinei                               10 000            100              0.25

 

Se poate observa că grupurile de risc sunt corelate cu tmax, care este corelat cu emisia lămpilor (radianța sau iradianța). În conformitate cu EN 62471 pericolele expunerii (prezentate în tabelul 2)

Tabelul 2

Tabelul 2
Timpul maxim de expunere (tmax) la albastru pentru lămpile CW
Pericolul expunerii                                                    Măsura (unități)                 Spectrul sensibilității tmax (sec)
Radiații de lumina albastra a retinei (LB)             Radianța W/m2sr                        B(l) 106/LB
Expunere la lumina albastra a retinei (EB)           Iradianța W/m2                           B(l) 106/EB

LB radianța efectivă (lumină albastră): radianța calculată și ponderată spectral de funcția B (l), exprimată în wați pe metru pătrat pe steradian [W/ m2sr];
EB iradianța efectivă (lumină albastră): iradianta calculată și ponderată spectral de funcția B (l), exprimată în wați pe metru pătrat [W/m2];
B(l):ponderare spectrală care ia în considerare raportul dintre lungimea de undă și leziunea oculară fotochimică provocată de lumina albastră [fără dimensiune].
tmax: timpul de expunere maxim [secunde].

 

trebuie evaluate la o distanță la care iluminarea este de 500 lx (în cazul lămpilor pentru iluminatul general) sau la distanța de 0.20 m în cazul celorlalte lămpi. Schema principală de concept pentru măsurarea radianței sau iradianței spectrale este specificată în EN 62471 (în Figura 4 sunt prezentate valorile pentru lumina albastră).

 

Fig.4 Schema de concept pentru măsurarea iradianței conform EN62471

Schema exemplifică prezența diafragmei de limitare a câmpului de vedere, cu jumătate de unghi A, când distanța față de receptor este mare în raport cu diametrul detectorului.

De remarcat că evaluarea surselor de lumină separat (individual) poate conduce la o clasificare diferită (mai mare) a grupului de risc decât a produsului final (aparat sau echipament). Această clasificare are loc printr-o analiză efectuată fie asupra componentelor individuale, fie asupra produselor finale dar și pe baza informațiilor obținute de la producător.

Cât de alb este un LED ?

Generarea luminii albe prin utilizarea de fosfor (Ce:YAG) împreună cu un chip LED albastru cu o lungime de undă de vârf cuprinsă între 450 și 470 nanometri este cea mai răspândită tehnologie azi. Acest mod de abordare, are însă două particularități: prezența distinctă a componentei spectrale albastre și dimensiunea quasi punctiformă a emisiei de lumină. Pentru iluminat însă, în special cel stradal, acest tip prezintă două mari probleme: disconfort ca urmare a calității culorii (prezența componentei albastre) și strălucire ca urmare a dimensiunii emisiei de lumină. De obicei suprafața luminoasă este constituită din mai multe LED-uri (puncte luminoase sau pixeli) cu un conținut ridicat de albastru și care pot provoca o strălucire puternică, cu efect de constricție pupilară. Pentru circulația rutieră acest lucru poate cauza probleme de circulație în condiții de siguranță atât a conducătorilor auto dar și a pietonilor.

Foarte multe orașe care și-au modernizat recent iluminatul stradal au optat pentru LED-uri albe cu CCT cuprins între 4000K și 6500K și deci un nivel ridicat de lumină albastră. Din nefericire, austeritatea luminii a produs însă nemulțumiri, care s-au finalizat chiar prin înlocuirea aparatelor de iluminat.

Utilizarea de LED-uri cu CCT sub 3000K nu prezintă însă certitudinea că lumina albastră este și minimizată.

Utilizând doar această măsură sunt de așteptat diferențe destul de mari între conținutul de lumină albastră pentru aceeași temperatură de culoare. Ca urmare, ar trebui luată în considerare și iradianța spectrală reală a LED-urilor, respectiv valorile relative pentru fiecare dintre culorile componente.

Concluzie

Aproape niciodată nu există o soluție complet satis- făcătoare pentru o problemă complexă. Cert este însă că avem nevoie să iluminăm nu numai străzile, activitățile industriale sau comerciale dar și propriile noastre case. Justificarea economiei de energie desconsiderând riscul cauzat de o iluminare de proastă calitate trebuie analizată cu seriozitate. Iluminatul cu LED poate fi ideal atunci când este proiectat dar și implementat corespunzător și, evident, doar atunci „crede și nu cerceta”!

 

FIGURA 2 : Distribuția spectrală pentru diferite tipuri de sursă de lumină

 

 

FIGURA 3

 

Share