Спектральные распределения светодиодов: AI-Sol, Radion, Orphek, EcoRay, Mvava
Спектральные распределения светодиодов: AI-Sol, Radion, Orphek, EcoRay, Mvava
Длина волны видимого света находится в диапазоне 400-700 нм. Кстати, это большинство длин волн света, которые имеют отношение к фотосинтезу. Совокупный эффект всего диапазона излучения между 400-700 нм представляется человеческому глазу как белый свет. Излучение с длиной волны 400 нм вызывает в человеческом глазу реакцию, в результате которой оно воспринимается как фиолетовое, а излучение с длиной волны 700 нм кажется красным. Различные цвета радуги (ROYGBV – красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый) расположены в порядке убывания длины волны. Грубо говоря, мы можем разделить различные цвета на диапазоны длин волн следующим образом:
- Фиолетовый – от 400 до 440 нм
- Синий – от 440 до 490 нм
- Зеленый – от 490 до 540 нм
- Желтый – от 540 до 590 нм
- Оранжевый – 600 – 650нм
- Красный – от 650 до 700 нм
Излучение с длиной волны менее 400 нм называется ультрафиолетовым (УФ) излучением и обычно делится на три сегмента: УФ-А (400-315нм), УФ-В (315-280нм) и УФ-С (280-100нм). УФ-излучение не видно человеческому глазу, но оно может оказывать вредное воздействие на человека (а также кораллы). Сегмент УФ-А, наиболее распространенный в солнечном свете, немного перекрывает самые короткие длины волн в видимой части спектра. УФ-В является фактически самым разрушительным УФ-излучением от солнца, поскольку оно проникает в атмосферу и может травмировать биологические ткани. Ультрафиолетовое излучение С от солнца может причинить еще больше вреда, но оно поглощается атмосферой, поэтому почти никогда не достигает поверхности Земли.
Инфракрасное (ИК) излучение имеет несколько большую длину волны, чем видимый свет. ИК-область электромагнитного спектра также делится на три сегмента: ИК-А (780-1400 нм), ИК-В (1400-3000 нм) и ИК-С (3000-10600 нм). Инфракрасное излучение является тепловым и ощущается как тепло.
Типичное спектральное распределение источника света измеряется с помощью прибора, называемого спектрорадиометром. Спектрорадиометр – это прибор, имеющий датчик и соответствующее аппаратное и программное обеспечение для определения распределения энергии (измеряемой как плотность мощности в ваттах/м 2 ) на различных длинах волн электромагнитного спектра. Плотность мощности на разных длинах волн также называется спектральной освещенностью. Данные обычно отображаются в виде графика с длиной волны по оси X и спектральной облученностью по оси Y и называются графиком распределения спектральной мощности (SPD). Один из таких графиков СПД показан на рисунке 1 ниже. Это самая важная часть информации об источнике света, и все соответствующие показатели освещенности могут быть математически выведены из нее. Следует отметить, что поскольку измерение производится в ватт/м2 , изменение расстояния от источника света до датчика приведет к изменению абсолютных значений. Поэтому для сравнения необходимо либо проводить измерения на одинаковом расстоянии, либо масштабировать и нормализовать данные.
Спектральное распределение света от металлогалогенных ламп было подробно описано в более ранних исследованиях (см. http://www.manhattanreefs.com/lighting для каталога спектральной мощности различных металлогалогенных ламп). Однако мало что известно о спектральных характеристиках светодиодов, доступных в настоящее время для любителей, и об их сравнении со спектральными характеристиками металлогалогенных и других источников света, которые успешно использовались в прошлом для содержания рифовых аквариумов. Спектральные характеристики света влияют как на кораллы и фотосинтезирующие организмы, так и на визуальную эстетику аквариума.
Рисунок 1: Пример графика распределения спектральной мощности
Большинство новых светодиодных светильников для освещения рифов имеют в своей конфигурации смесь синих и белых светодиодов, а в последнее время – 4 и более светодиодов разных цветов. Получаемый свет представляет собой смесь светового потока различных цветов светодиодов. Интенсивность и спектр света обычно являются простым аддитивным эффектом индивидуального спектрального выхода различных светодиодов.
Методы и подход
Для целей данного исследования несколько популярных светодиодных светильников (Таблица 1) были проанализированы на предмет их спектрального распределения. Спектральное распределение было измерено с помощью спектрорадиометра Licor LI-1800. Спектральные данные были собраны с различных светодиодов и нормализованы таким образом, чтобы интегральный световой поток (спектральная освещенность) между длинами волн 400-700 нм составлял 100 Вт/м 2 . Данные собирались при полной выходной мощности для отдельных каналов управления светом (например, синий, белый), а также данные со ВСЕМИ светодиодами, включенными на полную мощность. Данные были нормализованы таким образом, чтобы полная мощность составляла 100 Вт/м 2 в диапазоне длин волн 400-700 нм. Затем различные цветовые выходы светодиодов были масштабированы одним и тем же масштабным коэффициентом, чтобы определить вклад различных светодиодов в полный выход. Результаты представлены в виде графика SPD. Кроме того, спектр сравнивается с двумя популярными металлогалогенными лампами – 400 Вт Radium с балластом HQI и 400 Вт Ushio 14000K с электронным балластом Icecap. Radium 400W – популярная лампа среди рифовых аквариумистов, предпочитающих “синий” цвет аквариума, а Ushio 14000K – лампа, которую я сейчас использую в своем аквариуме и которая является предпочтительным выбором для тех, кто предпочитает более белый цвет аквариума. Основываясь на большом количестве сообщений об успешной работе с этими лампами, эти две лампы были выбраны в качестве эталона для сравнения светового спектра различных светодиодных светильников.
| Светильники |
|---|
| Радион X30 |
| Orphek PR-156 |
| Ecoray 112 |
| Мвава-2 |
| Aquaillumination SOL Белый |
| Aquaillumination SOL Голубой |
| Aquaillumination SOL Теплый белый |
Radion XR30W
Ecotech radion – один из немногих светодиодов, который предлагает светодиоды нескольких цветов, с 2 типами светодиодов – синим, белым, зеленым и красным. В общей сложности 8 светодиодов Cree XP-G Cool White работают при мощности 5 Вт каждый, 8 синих светодиодов Cree XP-E работают при мощности 3 Вт каждый, 10 синих светодиодов Cree XP-E Royal Blue работают при мощности 3 Вт каждый, 4 зеленых светодиода Cree XP-E работают при мощности 3 Вт каждый и 4 светодиода Osram Oslon SSL Hyper Red работают при мощности 3 Вт каждый. Имеется 4 отдельных канала управления, которые позволяют пользователю настраивать световой поток, регулируя выход различных каналов независимо друг от друга с помощью программного обеспечения.
Вклад каждого из отдельных светодиодов при полной мощности в общий результирующий спектр показан на рисунке 2a ниже. Как видно из рисунка, конечный результирующий спектр представляет собой сумму выходов различных спектров. Это один из немногих светодиодов с зелеными и красными светодиодами, в попытке обеспечить более широкий охват светового спектра. Добавление красных светодиодов помогает улучшить цветопередачу, особенно для красных/розовых кораллов и рыб. Кроме того, хлорофилл в кораллах имеет полосу поглощения в красной области, поэтому предполагается, что добавление красного цвета улучшит фотосинтез. На рисунке 2b показано сравнение с металлогалогенными лампами. Интересно отметить, что количество красного спектра вполне сопоставимо с таковым у радия.
Рисунок 2a. Спектральный выход различных светодиодных компонентов – Radion XR30W
Рисунок 2b. Спектральный выход Radion XR30W в сравнении с металлогалогенными лампами
Orphek PR-156
Массив Orphek PR-156 – одна из более новых моделей, включающая 4 УФ-светодиода в дополнение к синим и белым светодиодам. Всего в массиве 60 светодиодов мощностью около 2 Вт каждый. УФ-светодиоды не могут управляться индивидуально, поэтому их выход объединяется с основным выходом, когда все светодиоды включены. Как видно на рисунке 3a, УФ-светодиоды показывают в спектральном участке между 350 и 400 нм. Количество ультрафиолета все же меньше, чем у металлогалогенных ламп, как показано на рисунке 3b. Orphek PR 156 позволяет управлять лунными светильниками отдельно.
Рисунок 3a. Спектральный выход различных светодиодных компонентов – Orphek PR-156
Рисунок 3b. Спектральный выход Orphek PR156 по сравнению с металлогалогенными лампами
Ecoray 112
Аналогично Ecoray 60 по конструкции, это более крупная версия со 112 светодиодами – 56 белых мощных светодиодов мощностью 1 Вт (цветовая температура 12000K – 160000K) и 56 синих актиничных мощных светодиодов мощностью 1 Вт (длина волны 450-460 нм), расположенных в сетке 8X14. Белые и синие светодиоды могут управляться отдельно, только в 2 состояниях ON или OFF. Спектральный выход для различных каналов и всех включенных светодиодов показан на рисунке 4a, а сравнение с металлогалогенными – на рисунке 4b.
Рисунок 4a. Спектральный выход различных светодиодных компонентов – Ecoray 112
Рисунок 4b. Спектральный выход EcoRay 112 в сравнении с металлогалогенной лампой
MVAVA-II
Светодиодный массив MVAVA II ) состоял из 56 синих светодиодов мощностью 1 Вт и 8 белых светодиодов мощностью 10 Вт в конфигурации управления ON/OFF. На рисунке 5a показан выход отдельных каналов, а на рисунке 5b – сравнение с металлогалогенными лампами.
Рисунок 5a. Спектральный выход различных светодиодных компонентов – Mvava II
Рисунок 5b. Спектральный выход MVAVA II в сравнении с металлогалогенными лампами
Aquaillumination – SOL White
Aqua Illumination SOL White состоит из 24 светодиодов в соотношении 2 белых: 1 синий. В каждом модуле использовались 16 белых CREE XPG и 8 синих CREE XPE с разработанными на заказ коллиматорами света. Был протестирован один 12″ модуль. Эти светодиоды поставляются в стандартной комплектации с контроллером, который позволяет бесступенчато управлять синим и белым каналами. На рисунке 6a показан спектральный выход отдельных каналов при полной мощности, а на рисунке 6b – сравнение с металлогалогенными.
Рисунок 6a. Спектральный выход различных светодиодных компонентов – AI Sol White
Рисунок 6b. Спектральный выход AI Sol White в сравнении с металлогалогенными лампами
Акваиллюминация – SOL BLUE
Конструкция SOL Blue аналогична конструкции SOL White, основное отличие заключается в соотношении синих и белых светодиодов. 8 синих и 8 королевских синих светодиодов составляют синий канал, а 8 белых светодиодов составляют белый канал, каждым из которых можно управлять отдельно. (Обратите внимание, что тестирование проводилось до обновления контроллера, поэтому синий и королевский синий не могли управляться отдельно). На рисунке 7a показан выходной сигнал различных каналов – синего и белого, а на рисунке 7b – сравнение с металлогалогенными лампами.
Рисунок 7a. Спектральный выход различных светодиодных компонентов – AI Sol Blue
Рисунок 7b. Спектральный выход AI Sol Blue в сравнении с металлогалогенными лампами
AI Nano Sol (с теплым белым цветом)
Данный светильник представляет собой миниатюрную версию более крупных SOL White и SOL Blue. С (2) теплыми белыми XM-L, (4) синими Cree XP-Es и (4) королевскими синими Cree XP’Es, установленными в пару светодиодных кластеров. Контроллеры обеспечивают 3 канала управления по одному для каждого цвета, позволяя управлять каждым из них в диапазоне 0-100%. На рисунке 8a показан световой поток различных каналов, а на рисунке 8b – сравнение со спектром металлогалогенных ламп.
Рисунок 8a. Спектральный выход различных светодиодных компонентов – AI Sol Nano
Рисунок 8b. Спектральный выход AI Sol Nano в сравнении с металлогалогенной лампой
Обсуждение
Как видно из данных, существуют значительные спектральные различия между спектром светодиодов и спектром наиболее популярных ламп MH. Светодиоды, как правило, имеют большую мощность в синей области 400-500 нм, в то время как в более теплых областях спектра она недостаточна. Это может объяснить, почему аквариумы имеют “плоский” вид при освещении светодиодами. Недостаток красного спектра приводит к тому, что кораллы и рыбы красного цвета выглядят недостаточно блестящими. Отсутствие более широкого спектра и недостаточное количество мощности на длинах волн, способствующих более полному спектру, часто является причиной беспокойства, связанного со светодиодами, и это очевидно при сравнении спектров с металлогалогенными лампами. Как видно из нового поколения светодиодов, делается попытка решить эту проблему путем предоставления большего выбора цветов (и каналов управления) для настройки отдельных каналов, чтобы пользователи могли точно настроить внешний вид аквариумов и обеспечить возможность иметь один светильник, способный удовлетворить широкий круг пользователей.
Существуют некоторые различия между спектральным выходом светодиодных светильников, особенно за пределами синего спектра. Эти различия, показанные на рисунке 9, в основном обусловлены различиями в используемых белых светодиодах и количестве белого света. На рисунке ниже показано, как различные светодиодные светильники сравниваются друг с другом, а также различия между спектральным выходом.
Эти спектральные различия будут влиять на визуальный вид аквариума, а также оказывать некоторое влияние на цвета, которые развиваются в кораллах. Следует отметить, что эти спектральные графики измерены при 100% мощности всех светильников, в то время как на практике некоторые пользователи могут приглушать определенные цвета, чтобы создать вид, который подходит им и их представлениям о том, как должен выглядеть аквариум. Что очевидно, глядя на отдельные графики, так это то, что результирующий световой спектр будет прямым сложением спектрального выхода различных компонентов ламп. В этом отношении светодиоды определенно обеспечивают значительное преимущество по сравнению с традиционным подходом металлогалогенного освещения “одна лампа – один вид”. Представленные здесь данные следует рассматривать в сочетании с распределенными данными, представленными в моих предыдущих статьях, приведенных в ссылках.
Ссылки
- S. Джоши, Количественное сравнение технологий освещения: металлогалогенные, люминесцентные T5 и светодиодные, Advanced Aquarist, том IX, февраль 2010 г.
- S. Джоши, Тесты светодиодного освещения: Aquaillumination, Blue Moon, Eco-Lamp KR-91, Ecoxotic Panorama, Advanced Aquarist, Vol. IX, May 2010.
- S. Джоши, Тесты светодиодного освещения: Ecoray, Reef Fanatic и MaxSpect, Advanced Aquarist, Vol. X, Aug. 2011.
- S. Джоши, Тесты светодиодного освещения: Radion, Orphek, Mvava, Ecoray и Ecoxotic, Advanced Aquarist, Vol. X1, Jan. 2012.
Source: reefs.com