Спектральні розподіли світлодіодів: AI-Sol, Radion, Orphek, EcoRay, Mvava
Спектральні розподіли світлодіодів: AI-Sol, Radion, Orphek, EcoRay, Mvava
Довжина хвилі видимого світла знаходиться в межах 400-700 нм. До речі, це також більшість довжин хвиль світла, які мають відношення до фотосинтезу. Сукупна дія всього діапазону випромінювання в межах 400-700 нм сприймається людським оком як біле світло. Випромінювання з довжиною хвилі 400 нм викликає в людському оці реакцію, яка робить його сприйняття фіолетовим, тоді як випромінювання з довжиною хвилі 700 нм здається червоним. Різні кольори веселки (ROYGBV – червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій і фіолетовий) розташовані в порядку зменшення їх довжини хвилі. Приблизно, ми можемо розбити різні кольори на діапазони довжин хвиль наступним чином:
- Фіолетовий – від 400 до 440 нм
- Синій – від 440 до 490 нм
- Зелений – від 490 до 540 нм
- Жовтий – від 540 до 590 нм
- Помаранчевий – від 600 до 650 нм
- Червоний – від 650 до 700 нм
Випромінювання з довжиною хвилі нижче 400 нм називається ультрафіолетовим (УФ) випромінюванням і зазвичай поділяється на три сегменти: UV-A (400-315 нм), UV-B (315-280 нм) і UV-C (280-100 нм). Ультрафіолетове випромінювання не видиме для людського ока, але воно може мати шкідливий вплив на людину (а також на корали). Найпоширеніший у сонячному світлі сегмент УФ-А злегка перекривається найкоротшими довжинами хвиль у видимій частині спектру. УФ-В є фактично найбільш руйнівним УФ-випромінюванням сонця, оскільки воно проникає в атмосферу і може пошкоджувати біологічні тканини. УФ-С випромінювання Сонця завдало б ще більше шкоди, але воно поглинається атмосферою, тому майже ніколи не досягає поверхні Землі.
Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання має трохи більшу довжину хвиль, ніж видиме світло. ІЧ-область електромагнітного спектра також поділяється на три сегменти: ІЧ-А (780-1400 нм), ІЧ-В (1400-3000 нм) та ІЧ-С (3000-10600 нм). Інфрачервоне випромінювання є тепловим і відчувається як тепло.
Типовий спектральний розподіл джерела світла вимірюється за допомогою приладу, який називається спектрорадіометр. Спектрорадіометр – це прилад, який має датчик і пов’язане з ним апаратне та програмне забезпечення для визначення розподілу енергії (вимірюваної як щільність потужності у Ваттах/м2 ) на різних довжинах хвиль електромагнітного спектру. Щільність потужності на різних довжинах хвиль також називається спектральним опроміненням. Дані зазвичай відображаються у вигляді графіка з довжиною хвилі на осі Х і спектральним випромінюванням на осі Y, і називається графіком спектрального розподілу потужності (SPD). Один з таких графіків показаний на рисунку 1 нижче. Це найважливіша частина інформації про джерело світла, і всі відповідні світлові міри можуть бути математично виведені з нього. Слід зазначити, що оскільки вимірювання проводиться у ватах/м2 , зміна відстані від джерела світла до датчика призведе до зміни абсолютних виміряних значень. Таким чином, для цілей порівняння, або вимірювання повинні проводитися на однаковій відстані, або дані повинні бути масштабовані та нормалізовані.
Спектральний розподіл світла від металогалогенних ламп був широко охарактеризований у попередніх дослідженнях (див. http://www.manhattanreefs.com/lighting для каталогу спектральної потужності різних металогалогенних ламп). Однак мало що відомо про спектральні характеристики світлодіодів, доступних в даний час для хобі, і як вони порівнюються зі спектральними характеристиками металогалогенних та інших джерел світла, які успішно використовувалися в минулому для утримання рифових акваріумів. Спектральні характеристики світла впливають як на корали і фотосинтезуючі організми, так і на візуальну естетику акваріума.
Рисунок 1: Приклад діаграми спектрального розподілу потужності
Більшість нових світлодіодних світильників для освітлення рифів конфігуруються з поєднанням синіх і білих світлодіодів, або, останнім часом, з 4 або більше різних кольорових світлодіодів. Отримане світло є сумішшю світлового потоку різних кольорів світлодіодів. Інтенсивність і спектр світла, як правило, є простим адитивним ефектом індивідуального спектрального виходу різних світлодіодів.
Методи та підходи
Для цілей цього дослідження було проаналізовано спектральний розподіл декількох популярних світлодіодних світильників (табл. 1). Спектральний розподіл вимірювався за допомогою спектрорадіометра Licor LI-1800. Спектральні дані були зібрані з різних світлодіодів і нормалізовані таким чином, щоб інтегральна світлова віддача (спектральне випромінювання) між довжинами хвиль 400-700 нм становила 100 Вт/м2 . Дані були зібрані при повній потужності для окремих каналів управління світлом (наприклад, синій, білий), а також дані з увімкненими на повну потужність ВСІМА світлодіодами. Дані були нормалізовані таким чином, щоб повна вихідна потужність становила 100 Вт/м2 в діапазоні довжин хвиль 400-700 нм. Потім різні колірні виходи світлодіодів були масштабовані з однаковим масштабним коефіцієнтом, щоб можна було визначити внесок різних світлодіодів у повну потужність. Результати побудовані у вигляді діаграми SPD. Крім того, спектр порівнюється з двома популярними металогалогенними лампами – 400-ватною радієвою з баластом HQI та 400-ватною Ushio 14000K з баластом Icecap Electronic. Радієва 400-ватна лампа є популярною серед рифових акваріумістів, які віддають перевагу “синьому” вигляду акваріума, а лампа Ushio 14000K – це лампа, яку я зараз використовую у своєму акваріумі, і є кращим вибором для тих, хто віддає перевагу більш білому вигляду акваріума. На основі великої кількості повідомлень про успішне використання цих ламп, ці 2 лампи були обрані в якості еталонних для порівняння спектру світла різних світлодіодних світильників.
| Світильники |
|---|
| radion X30 |
| Orphek PR-156 |
| Ecoray 112 |
| Мвава-2 |
| Аквапідсвічування SOL White |
| Aquaillumination SOL Blue |
| Аквапідсвічування SOL Warm White |
Radion XR30W
Радіон Ecotech – один з небагатьох світлодіодів, який пропонує кілька кольорів світлодіодів, з 2 типами світлодіодів синього, білого, зеленого і червоного кольору. Всього 8 світлодіодів Cree XP-G Cool White працюють по 5 Вт кожен, 8 світлодіодів Cree XP-E Blue працюють по 3 Вт кожен, 10 світлодіодів Cree XP-E Royal Blue працюють по 3 Вт кожен, 4 світлодіоди Cree XP-E Green працюють по 3 Вт кожен і 4 світлодіоди Osram Oslon SSL Hyper Red працюють по 3 Вт кожен. Існує 4 окремі канали управління, які дозволяють користувачеві налаштувати світловіддачу, регулюючи потужність різних каналів незалежно за допомогою програмного забезпечення.
Внесок кожного з окремих світлодіодів при повній потужності в загальний результуючий спектр показано на рисунку 2а нижче. Як видно з малюнка, кінцевий результуючий спектр є сумою випромінювання різних спектрів. Це один з небагатьох світлодіодів з зеленими і червоними світлодіодами, в спробі забезпечити більш широке покриття світлового спектру. Додавання червоних світлодіодів допомагає поліпшити передачу кольору, особливо для червоних/рожевих коралів, а також риб. Крім того, хлорофіл в коралах має смугу поглинання в червоній області, тому передбачається, що додавання червоного кольору посилить фотосинтез. На рисунку 2b показано, як це порівнюється з металогалогенними лампами. Цікаво відзначити, що кількість червоного кольору в спектрі цілком порівнянна зі спектром радію.
Малюнок 2a. Спектральний вихід різних світлодіодних компонентів – Radion XR30W
Рисунок 2b. Спектральна віддача Radion XR30W в порівнянні з металогалогенними
Orphek PR-156
Масив Orphek PR-156 – одна з найновіших моделей, яка включає в себе 4 ультрафіолетові світлодіоди, на додаток до синіх і білих світлодіодів. Всього 60 світлодіодів потужністю близько 2 Вт кожен складають повний масив. Ультрафіолетові світлодіоди не піддаються індивідуальному управлінню, тому їх вихід об’єднаний з основним виходом, коли всі світлодіоди увімкнені. Як видно на малюнку 3а, УФ-світлодіоди показують на спектральній діаграмі від 350 до 400 нм. Кількість ультрафіолету все ще менше, ніж випромінюється металогалогенними лампами, як показано на малюнку 3b. Orphek PR 156 дозволяє керувати місячним світлом окремо.
Малюнок 3a. Спектральний вихід різних світлодіодних компонентів – Orphek PR-156
Рисунок 3b. Спектральний вихід Orphek PR156 у порівнянні з металогалогенними світлодіодами
Ecoray 112
Подібно до Ecoray 60 за конструкцією, це більша версія з 112 світлодіодами – 56 білих потужних світлодіодів потужністю 1 Вт (колірна температура 12000K – 160000K) і 56 синіх актинічних світлодіодів потужністю 1 Вт (довжина хвилі 450-460 нм), розташованих у сітці 8X14. Білим і синім світлодіодами можна керувати окремо, тільки в 2 станах ON або OFF. Спектральний вихід для різних каналів і всіх увімкнених світлодіодів показаний на рисунку 4а, а також порівняння з металогалогенними світлодіодами на рисунку 4б.
Малюнок 4a. Спектральний вихід різних світлодіодних компонентів – Ecoray 112
Рисунок 4b. Спектральний вихід EcoRay 112 у порівнянні з металогалогенними світлодіодами
MVAVA-II
Світлодіодний масив MVAVA II ) складається з 56 синіх світлодіодів потужністю 1 Вт та 8 білих світлодіодів потужністю 10 Вт, з конфігурацією управління ON/OFF. На рисунку 5а показано потужність окремих каналів, а на рисунку 5б – у порівнянні з металогалогенними лампами.
Малюнок 5a. Спектральний вихід різних світлодіодних компонентів – Mvava II
Рисунок 5b. Спектральний вихід MVAVA II у порівнянні з металогалогенними лампами
Аквапідсвічування – SOL White
Аквапідсвітка SOL White складається з 24 світлодіодів у співвідношенні 2 білих: 1 синій. 16 CREE XPG White і 8 CREE XPE Blue, зі спеціально розробленими світловими коліматорами, використовувалися в кожному модулі. Тестувався один модуль розміром 12″. Ці світлодіоди поставляються в стандартній комплектації з контролером, який дозволяє безступінчасте регулювання синього і білого каналів. На рисунку 6a показано спектральний вихід окремих каналів при повній потужності, а на рисунку 6b – порівняння з металогалогенними лампами.
Малюнок 6a. Спектральний вихід різних світлодіодних компонентів – AI Sol White
Рисунок 6b. Спектральний вихід AI Sol White у порівнянні з металогалогенними
Аквапідсвічування – SOL BLUE
SOL Blue подібний за конструкцією до SOL White, з основною відмінністю у співвідношенні синіх та білих світлодіодів. 8 синіх і 8 королівських синіх світлодіодів складають синій канал, а 8 білих світлодіодів складають білий канал, кожним з яких можна керувати окремо. (Зауважте, що вони були протестовані до оновлення контролера і, отже, синім і королівським синім не можна було керувати окремо). На рисунку 7а показано вихід різних каналів синього та білого кольорів, а на рисунку 7б – порівняння з металогалогенними лампами.
Малюнок 7a. Спектральний вихід різних світлодіодних компонентів – AI Sol Blue
Рисунок 7b. Спектральна віддача AI Sol Blue у порівнянні з металогалогенними лампами
AI Nano Sol (з теплим білим)
Світильник включає в себе мініатюрну версію більших SOL White і SOL blue. З (2) теплими білими світлодіодами XM-L, (4) синіми Cree XP-E та (4) королівськими синіми Cree XP’s, встановленими в парі світлодіодних кластерів. Контролери забезпечують 3 канали управління, по одному для кожного кольору, що дозволяє керувати кожним з них в діапазоні 0-100%. На рисунку 8а показано світловіддачу різних каналів, а на рисунку 8б порівняно зі спектром металогалогенних ламп.
Малюнок 8a. Спектральний вихід різних світлодіодних компонентів – AI Sol Nano
Рисунок 8b. Спектральний вихід AI Sol Nano у порівнянні з галогенідом металу
Обговорення
Як видно з даних, існують значні спектральні відмінності між спектром світлодіодів та спектром найбільш популярних МГ ламп. Світлодіоди, як правило, мають більшу потужність в синіх областях 400-500 нм, в той час як в більш теплих областях спектру їх не вистачає. Це може пояснити, чому акваріуми мають “плаский” вигляд при освітленні світлодіодами. Нестача червоного спектру призводить до того, що корали і риби з червоним кольором виглядають недостатньо блискучими. Відсутність більш широкого спектру і недостатня кількість вихідної потужності на довжинах хвиль для забезпечення більш повного спектру часто викликає занепокоєння щодо світлодіодів, і це очевидно при порівнянні спектрів зі спектрами галогенідів металів. Як видно з нового покоління світлодіодів, є спроба вирішити цю проблему шляхом надання більшого вибору кольорів (і каналів управління), щоб дозволити користувачам тонко налаштовувати зовнішній вигляд акваріумів і забезпечити можливість мати один освітлювальний прилад з потенціалом, який задовольнить широке коло користувачів.
Існують певні відмінності між спектральною потужністю світлодіодних світильників, особливо за межами синього спектру. Ці відмінності, показані на рисунку 9, в першу чергу пов’язані з відмінностями у білих світлодіодах, що використовуються, та кількістю білого світла. На малюнку нижче показано, як різні світлодіодні світильники порівнюються один з одним, а також відмінності між спектральним випромінюванням.
Ці спектральні відмінності впливають на візуальний вигляд акваріума, а також мають певний вплив на кольори, які розвиваються в коралах. Слід зазначити, що ці спектральні графіки вимірюються при 100% освітленні, в той час як на практиці деякі користувачі можуть приглушити певні кольори, щоб створити вигляд, який підходить їм і їх сприйняттю того, як повинен виглядати акваріум. Дивлячись на окремі графіки, очевидно, що результуючий світловий спектр буде прямим доповненням спектральної потужності різних ламп, що входять до складу танка. В цьому відношенні світлодіоди, безумовно, мають значну перевагу над традиційним підходом металогалогенних ламп “одна лампочка – один погляд”. Представлені тут дані слід розглядати в сукупності з розподіленими даними, представленими в моїх більш ранніх статтях, наведених у посиланнях.
Список використаних джерел
- S. Joshi, Кількісне порівняння технологій освітлення: Металогалогенні, люмінесцентні T5 та світлодіодні, Advanced Aquarist, том IX, лютий 2010 р.
- S. Джоші, Тести світлодіодного освітлення: Аквапідсвічування, Blue Moon, Eco-Lamp KR-91, Ecoxotic Panorama, Advanced Aquarist, Vol. IX, травень 2010.
- S. Joshi, Тести світлодіодного освітлення: Ecoray, Reef Fanatic та MaxSpect, Advanced Aquarist, т. X, серпень 2011.
- S. Джоші, Тести світлодіодного освітлення: Radion, Orphek, Mvava, Ecoray та Ecoxotic, Advanced Aquarist, том X1, січень 2012.
Source: reefs.com