ReefCentral.ru для iOS
Разводные клоуны!
Beautiful Reef - Свет для аквариума. Часть 1. Сделано аквариумистами для аквариумистов.
10.02.2021
Разделы: Освещение
Статья предоставлена производителем: Beautiful Reef

Кто мы и что мы делаем

История нашего проекта началась в 2012 году, когда Дмитрий Карпенко и Vahe Ganapetyan решили разобраться, какой свет должны получать кораллы в домашнем аквариуме. В результате этой работы на сайте Advancedaquarist была опубликована статья Light in the Reef Aquaria, которая стала самой обсуждаемой статьёй за все годы существования Advancedaquarist.

К сожалению, сейчас сайт Advancedaquarist прекратил своё существование. Его преемником является сайт reefs.com, который предоставляет все статьи, размещённые за время существования Advancedaquarist, жаль, без комментариев, которые нередко содержали полезные дискуссии. Для лучшего понимания этой статьи рекомендуем ознакомиться с информацией, представленной в нашей первой статье:

fig-1.-Light-in-the-reef-aquaria-1st-article.jpg
Рис. 1

Затем по результатам наших первых исследований аппаратной части была опубликована вторая статья:

fig-2.-Building-a-LED-fixture-2nd-article.jpg
Рис. 2

После этого наш проект развивался ещё почти 6 лет. Нами была проделана большая работа, только светодиодных сборок было сделано больше 30 разновидностей. В наших работах участвовали аквариумисты всего мира. Некоторые из них проделали большую работу, другие – менее объёмную, но все были полезны – учёные и инженеры с уникальными специализациями, и опытные аквариумисты. К сожалению, формат статьи не позволяет назвать всех, но всё же я хотел бы упомянуть тех, чья помощь была наиболее важна: Vahe Ganapetyan, Карен Санамян, Денис Антонов, Chris Holt, Oleg Dubinsky, Pavel Warshavski, Николай Строчков. Поэтому мы с удовольствием и гордостью можем сказать, что наши разработки сделаны аквариумистами для аквариумистов.

К сожалению, аквариумистика полна различных мифов. Они очень вредят нашему хобби, заставляя буквально “ходить по кругу”, вынуждая открывать снова и снова то, что было уже известно почти 150 лет назад! В этой статье мы будем периодически ссылаться на замечательную книгу русского исследователя 19 века Н. Ф. Золотницкого “Аквариум любителя” [1], которая впервые увидела свет в 1885 году. Вот так выглядит её второе издание от 1890 года:

fig-3.-old-russian-book-about-aquarium-1024x730.jpg
Рис. 3


В качестве примера одного из таких вредящих нашему хобби мифов хочется привести такой пример. В этой книге неоднократно упоминается, что подогрев грунта вреден для аквариумных растений. Но ещё буквально 10-15 лет назад многие уважаемые аквариумные бренды, даже такие знаменитые, как Dennerle и ADA, предлагали специальные кабели для подогрева грунта! Затем было заново “открыто”, что подогрев грунта даёт больше вреда, чем пользы, и предложения грунтовых нагревательных кабелей исчезли из ассортимента уважаемых компаний.

Освещение – один из самых мифологизированных аспектов аквариумистики, несмотря на то, что существуют инструменты, которые позволяют измерить необходимые параметры света. Для аквариумиста достаточно знать показания прибора, который называется PAR-метр. Он измеряет плотность излучения в области PAR [2].

При этом совершенно необязательно покупать дорогой прибор от Apogee [3], вполне достаточно SenEye [4]. Конечно, SenEye имеет довольно значительную погрешность в фиолетовой части спектра, но можно просто иметь это в виду, и умножать его показания для этой области на 1.5. Для аквариумных применений такой точности достаточно.

Все прочие параметры света либо полностью себя дискредитировали, как, например, CCT [5], либо не имеют практического смысла, как CRI [6].

Мифы об аквариумном освещении – удобная почва для маркетинга, потому что подавляющее большинство людей выбирает не разумом, а эмоциями. Нередко пользователи тех или иных товаров уверяются в их исключительности не потому, что они на самом деле хороши, а потому, что они их выбрали. Это свойство психики дано нам от рождения. [7].

В этой статье нам придётся развенчать ряд мифов, связанных с освещением. Сейчас наши разработки уже запатентованы, поэтому мы расскажем и о них.

Все рассуждения и информация, изложенные как в этой статье, так и в следующих, будут применимы как для светильников для морских аквариумов, так и для пресноводных. Мы будем чаще приводить в пример морские аквариумы, так как традиционно принято считать, что именно для них построить освещение труднее, хотя на самом деле это не так.

Чтобы наши статьи не были громоздкими, мы будем давать в них только самую необходимую информацию. Если какой-то момент будет нуждаться в пояснении, пожалуйста без стеснения задавайте вопросы в Disqus после статьи.

План статьи.

1. Управляемый спектр. Формирование внешнего вида аквариума в соответствии с персональными предпочтениями его хозяина.
2. Принципиальная возможность формирования необходимого спектра. Компактность и идентичность светодиодных сборок.
3. Важность обеспечения равномерной освещённости. Неравномерное расположение источников света.
4. Обеспечение точной установки спектра и яркости. Технология Hybrid dimming.
5. Обеспечение гомогенности спектра светильника и питания нижних частей кораллов. Максимальная декоративность путём использования рассеянного света.

В следующей статье мы расскажем, как, по нашему мнению, должно выглядеть управление светильником, которое будет не только простым, но и будет защищать от ошибок.

1. Управляемый спектр. Формирование внешнего вида аквариума в соответствии с персональными предпочтениями его хозяина

Каждый раз, когда речь заходит об аквариумном светильнике, подавляющее большинство аквариумистов, даже опытных, спрашивает – а хорошо ли под ним будут расти растения? Давайте посмотрим, как выглядит спектр солнца на уровне моря в тропиках при ясном небе [8]:

Fig-5-1024x613.jpg
Рис. 5

Теперь посмотрим, какую часть этого спектра могут использовать фотосинтетики для своего питания, то есть ту часть спектра, что называется PAR [2]:

Fig-6-1024x717.jpg
Рис. 6

Здесь по горизонтальной оси показаны длины волн излучения, а по вертикальной оси весовые коэффициенты эффективности фотосинтеза для различных длин волн излучения. Как мы видим на этой диаграмме, растения способны усваивать в процессах фотосинтеза свет с длинами волн примерно от 350 нм до 750 нм. При этом эффективность усвоения света на промежутке длин волн от примерно 400 до 700 нм не различается кардинально. Например, эффективность фотосинтеза для длин волн излучения 550 нм и 415 нм отличается всего лишь примерно на треть.

Теперь посмотрим, как выглядит диаграмма видности излучения для человеческого глаза [8]:

Fig-7.jpg
Рис. 7

Здесь по горизонтальной оси показаны длины волн излучения, а по вертикальной оси – видность этого излучения глазом человека. Например, если взять видность излучения на длине волны 555 нм за 100 %, то фиолетовый свет с длиной волны 415 нм имеет видность всего в 1 %. То есть глаз человека видит это излучение как в 100 раз менее яркое!

Таким образом, для растений любая часть видимого спектра имеет почти одинаковую полезность, в то время как глаз человека кроме жёлто-зелёной части спектра толком ничего не видит. Проще говоря, практически не существует такого излучения, которое видел бы глаз человека, но не могли использовать растения для своего питания! То есть не существует светильника, который бы не подошёл для освещения аквариумных фотосинтетиков. От этого светильника требуется только одно – давать достаточное для данного фотосинтетика количество излучения [9].

Этот факт еще 140 лет тому назад был замечательно показан Н. Ф. Золотницким [1], который добивался зимой, при недостатке естественного освещения, цветения такого довольно прихотливого растения, как Увирандра (Aponogeton madagascariensis):

Fig-8.jpg
Рис. 8

Для обеспечения этого растения светом он использовал свет керосиновой лампы!

Отдельно кратко остановимся на морских фотосинтетиках, в частности кораллах, которые адаптированы к спектру солнца, который заметно изменяется в зависимости от глубины [8]:

Fig-9.jpg
Рис. 9. Спектральное распределение на разной глубине. На поверхности (светло-голубой), на глубине 5 м (голубой) и 15 м (синий.

Казалось бы, этот факт налагает строгие ограничения на спектр, который должен использоваться для освещения кораллов, не так ли? Но, как показывает практика, не только пресноводные растения, но и кораллы успешно растут под обычным солнечным спектром. Например, не так давно для освещения аквариумов, в том числе с кораллами, использовались так называемые “солнечные трубы”, которые доставляют солнечный свет непосредственно внутрь помещения, к аквариуму. И этот вариант даёт хороший рост кораллов, посмотрите на замечательно крупные и здоровые колонии кораллов, выращенные исключительно на таком освещении [10]:

Fig-10.jpg
Рис. 10

Разумеется, внешний вид и окраска большинства аквариумных фотосинтетиков, особенно кораллов, в значительной степени зависит от используемого спектра. На этом мы подробнее остановимся ниже.

Если аквариумные фотосинтетики могут успешно выращиваться под любым светильником с достаточным количеством излучения, тогда что же нам дают специальные светильники для аквариума с управляемым спектром? Ответ на этот вопрос также был дан в упомянутой книге Золотницкого [1], где он писал о применении светофильтров в светильниках:

“.. в них вставляются различного цвета стекла, так что водное царство может быть освещаемо, по желанию, то красным, то зеленым, то синим и т. д. цветом.

Освещение это, кроме украшения подводного ландшафта .. имеет еще значение как средство заставить рыбок раскрашиваться.”


То есть светильники с управляемым спектром позволяют наилучшим образом подчеркнуть красоту обитателей аквариума. А поскольку персональные спектральные предпочтения уникальны для каждого человека, вся прелесть светильников с управляемым спектром именно в том, что они позволяют подобрать именно такой спектр, который нравится конкретному человеку.

Посмотрите, как выглядит тот же самый аквариум [10] под другим спектром света:

Fig-11.jpg
Рис. 11

Наверное, многим из вас второе фото этого аквариума нравится больше, не так ли?

В случае применения светильников с управляемым спектром можно найти почти бесконечное количество спектров, которые будут выглядеть для глаза человека очень по-разному, а для кораллов они будут практически одинаковы. Так происходит именно вследствие резко выраженной чувствительности глаза человека к разным частям спектра, как и показано выше на рис.7.

Для примера рассмотрим два типичных “морских” спектра, то есть таких, которые часто устанавливаются аквариумистами для своих морских аквариумов. Первый спектр выглядит так:

Fig-12.jpg
Рис. 12

Второй спектр так:

Fig-13.jpg
Рис. 13

Оба этих спектра могут содержать одинаковое количество излучения в области 400-500нм. Поэтому они будут минимально отличаться по своему воздействию на кораллы [8], но для глаза человека они будут выглядеть совершенно по-разному! Посмотрите, как будут выглядеть эти же спектры с учетом видности излучения для глаза человека. Первый спектр будет выглядеть так:

Fig-14.jpg
Рис. 14

А второй так:

Fig-15.jpg
Рис. 15

Кстати, второй спектр, с относительно большим количеством бирюзовой части, выглядит привлекательно по мнению многих аквариумистов. Он хорошо имитирует природный бирюзовый цвет воды в лагуне кораллового рифа. Конечно, лично вам может больше понравиться любой из этих спектров. Вы можете использовать для вашего аквариума любой, какой вам больше нравится. Кораллам оба понравятся совершенно одинаково.

Ввиду того, что значительная часть красоты кораллов возникает вследствие их флуоресценции, вам автоматически захочется использовать значительное количество излучения коротковолновой части спектра. То есть вы автоматически выберете те спектры, что позволят кораллам окраситься наилучшим образом [8].

Хотя кораллы могут адаптироваться практически к любой радиации в области PAR, их форма и окраска в значительной степени зависят от спектра [8]. Даже небольшое количество излучения с длиной волны более ~550 нм может привести, благодаря явлению хроматической адаптации, к образованию светособирающих пигментов с коричневатыми, а не яркими цветами.

В случае освещения пресноводных аквариумов нюансов в построении спектров значительно больше, чем в случае морских аквариумов. Дело в том, что подавляющее большинство растений, которые содержатся в пресноводных аквариумах, живут в природе на очень малой глубине, поэтому умеют успешно утилизировать гораздо более широкую часть спектра. К сожалению, рассмотрение всех этих нюансов выходит за рамки этой статьи, но в целом можно сказать, что для успешного содержания и хорошей окраски пресноводных растений нужно формировать спектры, которые не кардинально отличаются от солнечного, показанного на рис 5.

Есть один тонкий, но немаловажный момент. Принято считать, что всего трёх разноцветных каналов R, G, B достаточно для того, чтобы создать у человека цветоощущение любого цвета. Прямо сейчас вы, скорее всего, смотрите на экран, который формирует изображение как раз этими тремя каналами. На самом деле палитра цветов, которая может быть образована этими тремя каналами, признаётся экспертами не идеальной, а только допустимой, так как этими тремя каналами невозможно воспроизвести ряд цветов, например, чистые голубой и оранжевый. Ещё этот способ формирования цвета имеет такой важный для аквариумных применений недостаток, как недостаток коррелированности цветовых каналов. Он проявляется в том, что при увеличении яркости одного канала другие уменьшают ее [11]. Также примерно 20 % самых ярких, так называемых экстраспектральных цветов вообще не могут быть воспроизведены в такой цветовой модели.

Посмотрите на картинку цветового круга.

Fig-16.jpg
Рис. 16

Цвета, ограниченные чёрными полосами, вы сейчас на самом деле не видите. Вашему устройству отображения информации доступна только их примерная имитация.

Также важен тот факт, что когда мы смотрим на аквариум, то мы смотрим не на свет светильника, а на свет, отражённый от предметов внутри аквариума. Поэтому, если в спектре светильника нет какой-то части, и он не возникает в результате флуоресценции в аквариуме, мы его в принципе не сможем увидеть. То есть палитра цветов аквариума будет неполной.

Очевидно, что все недостатки RGB модели проистекают от недостаточного охвата видимого глазом человека спектра. На диаграмме ниже мы видим, какой спектр освещения нужно имитировать светильнику с управляемым спектром:

Fig-17.jpg
Рис. 17

Здесь серым цветом показана видимая глазом человека часть солнечного спектра. Голубым цветом показано, как этот спектр может быть имитирован с помощью трехканального RGB светильника. Оранжевым цветом показано, как этот спектр может быть имитирован 16-ти канальным светодиодным светильником. Как нетрудно убедиться, трёхканальные RGB светильники совершенно непригодны для этой задачи.

К счастью, для аквариумистов нет необходимости эмулировать весь показанный на рис 5 солнечный спектр. Дело в том, что под водой не бывает спектров с большой долей излучения с длиной волны более 700 нм, которое для наземных растений играет важную триггерную роль [12]. Поэтому достаточно эмулировать часть спектра в пределах от примерно 360 до 700 нм. Как показывает практика, такая задача приемлемо решается уже в том случае, когда набор светодиодов включает в себя 7-8 разновидностей длин волн. Если набор светодиодов включает в себя 12 разновидностей, эта задача решается практически идеально. Разумеется, в обоих случаях каждая разновидность светодиодов должна иметь собственный канал управления, иначе нельзя говорить о возможности управления спектром в принципе.

В целом, стратегия построения освещения в любом аквариуме укладывается в два простых шага.

1. Владелец аквариума находит спектры, которые ему нравятся и сохраняет эти спектры в галерее спектров.
2. Отобранные спектры используются для построения суточного цикла освещения. Необходимо только проследить за тем, чтобы суточное количество излучения соответствовало необходимому.

Для того, чтобы светильник позволил использовать эту простейшую стратегию, он обязан соответствовать ряду требований. В противном случае никакой светильник не даст желаемого результата, и успешный, красивый аквариум будет не закономерностью, а случайностью.

Разумеется, как мы показали выше, фотосинтетики будут расти под любым, даже самым “неправильным”, светильником, но мы же хотим, чтобы наш аквариум выглядел наилучшим образом именно для нашего глаза, мы же его именно для этого завели, не так ли?

В первую очередь давайте рассмотрим – что нужно для того, чтобы светильник имел возможность формирования определённого спектра в принципе.

2. Принципиальная возможность формирования необходимого спектра. Компактность и идентичность светодиодных сборок

Аквариумистам хорошо знакомо такое явление, как “дискотека”. Оно образуется, когда аквариум освещается несколькими источниками света с различным спектром, в результате чего получается его неравномерность. Нередко она даже видна человеческим глазом в виде разноцветных пятен на освещаемых объектах.

Такая “дискотека” возникает при освещении любыми источниками света, которые имеют большое расстояние между излучателями разных частей спектра. Разный цвет излучателей светильника виден при использовании традиционных трубчатых источников света:

Fig-18.jpg
Рис. 18

Ещё более беспомощно выглядят попытки построения любого спектра в случае светодиодных светильников, в которых светодиоды разных частей спектра отстоят друг от друга на значительное расстояние:

Fig-20-1024x445.jpg
Рис. 19

Даже в том случае, если светодиоды расположены относительно компактно:
image_2021-02-12_20-04-15.png
Рис. 20

Результат может выглядеть поистине впечатляюще:

image_2021-02-12_20-04-28.jpg
Рис. 21

Такая заметная “дискотека” гораздо меньше бросается в глаза, если отсутствует волнение воды на поверхности аквариума. Конечно, и в этом случае показанная проблема никуда не девается - кораллы не получают того спектра, что владелец светильника хотел бы им предоставить. 

Важно отметить, что ввиду низкой видности большинства излучения в области PAR для человеческого глаза, нередко “дискотека” бывает мало заметна для глаза человека, в то время как значительная неравномерность спектра на самом деле есть. То есть что бы мы ни делали далее, “дискотека” не позволяет говорить о том, что светильник обладает возможностью формирования спектра, потому что того спектра, что нам нужен, светильник фактически не даёт вообще нигде! Это может являться одной из причин недостаточно хорошего самочувствия кораллов.

Решение здесь может быть только одно – когда все источники света дают идентичный и целевой, то есть именно тот, что необходим владельцу светильника, спектр. Поскольку мы хотим, чтобы светильник имел управляемый спектр, все источники света должны содержать светодиоды всех частей спектра, которые представлены в данном светильнике. При этом для минимизирования неравномерности спектра светодиоды должны быть установлены как можно ближе друг к другу.

Таким образом мы получаем элементарный источник света в виде светодиодной сборки с плотно установленными светодиодами всех представленных в данном светильнике частей спектра. Светодиодная сборка может выглядеть, например, так:

Fig-22.jpg
Рис. 22

Более мощный вариант светодиодной сборки может выглядеть так:

Fig-23.jpg
Рис. 23

При построении такой сборки был решен ряд инженерных задач, в том числе довольно сложная трассировка платы, которая говорит о том, что у наших инженеров есть “sisu” [13]:

Fig-24.jpg
Рис. 24


Подведём итог. Светодиодные сборки должны быть компактными и идентичными.

3. Важность обеспечения равномерной освещённости. Неравномерное расположение источников света

Как мы упоминали выше, фотосинтетику в аквариуме необходимо обеспечить определённый уровень освещённости, зависящий от его вида. Поскольку многие спектры, которые нравятся владельцам аквариумов, особенно морских, имеют низкую видность для глаза человека, определить уровень освещённости в определённой точке аквариума на глаз бывает весьма затруднительно. Поэтому важно обеспечить равномерное освещение, с предсказуемой интенсивностью, без точек с избыточной освещённостью. Такие “горячие точки”, где фотосинтетик получает света больше, чем ему необходимо, чреваты серьёзными проблемами, начиная от повышенной чувствительности фотосинтетика к питанию и качеству состава воды и кончая высокой вероятностью водорослевых обрастаний.

В практике аквариумного освещения принято считать, что наиболее равномерное освещение создают линейные источники света, то есть люминесцентные трубки. Однако, так как плотность излучения в любой точке такой трубки одинакова, то чем ближе к середине трубки, тем больше излучения от соседних участков складывается. В результате освещенность под серединой трубки может быть до двух раз больше, чем по её краям.

Fig-25.jpg
Рис. 25

Когда мы говорим об освещении поверхности аквариума, то есть плоскости, то зачастую используются светильники с несколькими люминесцентными трубками, число которых бывает 10 и даже более. В этом случае горячая точка будет располагаться под геометрическим центром такого светильника, и она будет весьма яркой, потому что в ней будет складываться излучение не только от длины трубок, но и от ширины светильника, в котором трубки, как это хорошо видно на рис. 18, размещены равномерно.

Давайте посмотрим, насколько может быть “горячей” точка под центром такого светильника.

Компания BRS делает множество интересных видео, где освещает различные аспекты аквариумистики. В этом видео рассматривался один из лучших люминесцентных светильников. Вот такую равномерность освещённости он обеспечивает:

Fig-26.jpg
Рис. 26

Даже в относительно равномерно освещённой центральной части аквариума градиент освещённости составляет около трёх раз, а по краям аквариума – и вовсе около 10 раз! Именно с этим нередко связаны проблемы с содержанием прихотливых кораллов. Аквариумисту затруднительно их правильно расположить с учетом их требований к уровню освещённости.

В случае, когда речь идёт об освещении аквариума светодиодными светильниками, градиент освещённости нередко ещё больше, потому что большинство таких светильников являются по сути точечными источниками света, поскольку площадь светоизлучающей части светильника, составляет всего лишь единицы процентов от освещаемой им площади.

Только колоссальная способность фотосинтетиков к адаптации помогает им выживать в условиях с крайне различающимся уровнем освещённости. Посмотрите на данные среднесуточных замеров освещённости в природе для разных видов растений [14]:

Fig-27.jpg
Рис. 27

Здесь LSP (Light Saturation Point) это точка насыщения фотосинтеза - уровень интенсивности освещения, выше которого дальнейшее увеличение количества излучения не приводит к увеличению темпов фотосинтеза, это предел для данного вида растения. LCP (Light Compensation Point) это точка компенсации света - минимально необходимый свет для растения, когда темпы роста начинают превышать темпы гибели клеток. В средней колонке показана средняя освещённость, которая близка, по-видимому, к оптимальной для данного вида.

Обратите внимание, насколько низка минимальная освещённость для таких светолюбивых растений, как Myriophyllum, Bacopa, Nomaphila, Rotala. Диапазон освещённости от минимального до максимального для большинства фотосинтетиков очень велик и нередко составляет 5, а иногда и 10 раз. То есть мы можем сажать почти любой фотосинтетик почти в любое место аквариума, освещённого обычным люминесцентным светильником и он, скорее всего, будет получать количество света достаточное как минимум для его существования.

Для морских фотосинтетиков диапазон допустимой интенсивности света зачастую еще шире. Для примера возьмём водоросли, широко используемые в морских аквариумах для экспорта нитратов и фосфатов: Chaetomorpha linum при 21C. Джон Кирк в своей книге "Свет и фотосинтез в водных экосистемах" (2000 г.): указывает следующие цифры: точка компенсации: 10 PAR. Точка насыщения: 418 PAR.

Но, если мы хотим добиться наилучшего самочувствия и декоративности наших фотосинтетиков, мы должны давать им именно то количество излучения, которое будет для них оптимальным. Это возможно только в том случае, когда светильник даёт равномерную и известную плотность светового потока.

Единственным путём решения задачи получения равномерной освещённости является расположение в светильнике светодиодных сборок на таком расстоянии друг от друга, чтобы их излучение распределялось по освещаемой площади равномерно. Принцип расположения светодиодных сборок иллюстрирует эта схема:

Fig-28.jpg
Рис. 28

Проще говоря, для получения равномерной освещённости, светодиодные сборки в светильники должны быть расположены неравномерно. В общем случае – чем ближе к центру светильника, тем больше должно быть расстояние между светодиодными сборками.

Как показывают натурные измерения, даже в случае относительно мощных светодиодных сборок, показанных на рис. 22 можно достичь неравномерность освещенности уже на расстоянии 15 см от светильника около 20 %. Также в случае применения нескольких светильников для освещения аквариума мы можем располагать их на меньшем расстоянии друг от друга по его сторонам, и на большем расстоянии в центре. Таким образом, градиент освещённости в аквариуме в целом может быть уменьшен с “традиционных” 10 раз до примерно 2-3.

Итак, – настоящее равномерное освещение позволяет избежать “горячие точки”, упростить размещение кораллов и обеспечить их здоровый рост.

4. Обеспечение точной установки спектра и яркости. Технология Hybrid dimming

Для регулировки яркости и спектра большинство аквариумных светодиодных светильников использует pulse-width modulation (PWM). Её суть в том, что для регулировки количества излучения от светодиода формируются короткие вспышки различной длительности, которые следуют с очень высокой частотой, сливаясь для глаза человека в непрерывный свет определенной яркости. Этот вариант управления получил широкое распространение именно ввиду своей крайней простоты. Однако, на самом деле PWM не позволяет ни формировать спектр светильника, ни обеспечивать необходимую яркость. Давайте посмотрим, почему это именно так.

Для примера возьмём светильник, состоящий из 7 разновидностей светодиодов, каждый со своим спектром излучения. Рассмотрим моментальный спектр светильника в случае, если яркость всех каналов светодиодов устанавливается с помощью PWM:

Fig-29.jpg
Рис. 29

На этой картинке высота столбика означает длительность включения данного светодиода в течение цикла PWM.

Посмотрите на момент времени 1, который показан горизонтальной линией. В этом случае в формировании спектра светильника участвуют все типы светодиодов. В момент времени 2 в формировании спектра светильника участвует уже шесть типов светодиодов, в момент времени 3 - четыре типа светодиодов и в момент времени 4 - только один тип!

Может показаться, что в момент времени 1 получается именно тот спектр, что необходимо, но на самом деле это не так. В этот момент все 7 типов светодиодов работают на полную мощность. В то же время они должны работать с такой силой тока, как указано под столбиками, обозначающими каждый тип светодиодов. То есть в момент времени 1 все каналы светодиодов работают на 100 % мощности, в то время как для формирования показанного на рис. 29 спектра они должны иметь мощность, соответственно: фиолетовый 81 %, синий 99 %, голубой 63 % и так далее.

Поэтому мы приходим к закономерному выводу - светильник с PWM управлением никогда не даёт тот спектр, что необходим пользователю. За исключением единственного частного случая, когда все типы светодиодов должны работать на 100 %.

Теперь давайте посмотрим на то, как светильник с PWM управляет яркостью.

Fig-30.jpg
Рис. 30

Здесь показано заштрихованными областями то время, когда на светодиод подаётся ток. Мы видим три частных случая установки яркости - 25 %, когда ток идёт через светодиод 25 % времени и 75 % времени не идёт, 50 % яркости, когда время подачи тока и его отсутствия одинаковы, и когда яркость равна 75 %, в этом случае ток подаётся на светодиод 75 % времени.

При этом всё время, когда на светодиод подаётся ток, он имеет единственную силу – максимальную. То есть светодиод даёт максимально возможное количество излучения. Фактически это значит, что коралл получает короткие и очень яркие вспышки, чередующиеся с полным отсутствием света. Поэтому возможна парадоксальная ситуация – человеку кажется, что коралл освещается светом оптимальной, средней яркости, а на самом деле коралл получает яркие кратковременные вспышки, которые он не может полностью усвоить, потому что их яркость превышает его LSP. Иными словами, человеку кажется, что коралл получает достаточное количество света, а на самом деле он с одной стороны, страдает от избыточного освещения, а в целом – от его недостатка!

Низкая частота следования этих вспышек приводит к появлению заметного для глаза мерцания. Это приводит к быстрому уставанию глаз, а многие люди даже видят это мерцание, что очень неприятно. К сожалению, только лишь отрицательными ощущениями проблемы при использовании PWM не ограничиваются. Мерцание светодиодов при PWM также приводит к полосам на видео. Конечно, начиная с частоты PWM примерно 1000 Гц, эти эффекты практически отсутствуют. Однако даже в этом случае остаются нерешенными две важные проблемы:

1. Чем выше частота PWM, тем меньше количество ступеней регулировки силы тока. В случае PWM с очень высокой частотой фактически таких ступеней может быть всего несколько десятков. Это исключает возможность плавного изменения яркости светильника.
2. PWM с частотой менее 2.5 кГц, свойственной подавляющему большинству представленных на рынке светильников, снижает эффективность фотосинтеза. Научные работы показывают, что это снижение может быть даже двухкратным [15]!

К счастью, есть технология, которая называется Hybrid dimming, которая практически полностью устраняет недостатки PWM. Суть технологии демонстрирует следующая диаграмма:

Fig-31.jpg
Рис. 31

В этом случае на светодиоды в большинстве режимов работы подаётся ток, сила которого регулируется в широких пределах так называемым Constant Current Reduction (CCR) способом, то есть без помощи PWM. Например, если максимальный ток драйвера 2000 мА, и вы установили яркость в программе управления 80 %, то в цепочку светодиодов пойдет ток именно 1600 мА. Если вы установили яркость 20 %, то в цепочку светодиодов пойдет ток именно 400 мА, и так далее.

Hybrid dimming регулирует ток путём CCR от максимального до минимально рекомендованного, указанного производителем светодиодов в их технической документации. Когда необходимо получить очень низкую яркость, далее используется PWM с высокой частотой. Дело в том, что в случае подачи на светодиод очень малого тока происходит значительное изменение его спектра. Например, излучение голубых светодиодов на малом токе начинает смещаться в длинноволновую область. Их излучение сначала начинает выглядеть белым:

Fig-32.jpg
Рис. 32

При дальнейшем уменьшении силы тока их излучение начинает выглядеть желтым:

Fig-33.jpg
Рис. 33

А на совсем малом токе даже красноватым:

Fig-34.jpg
Рис. 34

Для того, чтобы избежать подобного изменения спектра светодиодов, их производители и регламентируют минимально допустимую силу тока.

Также Hybrid dimming позволяет достигать предельно возможной для данного светодиода эффективности преобразования электрической энергии в световую.

Как мы отмечали выше, всё время, когда при использовании PWM на светодиод подаётся питание, он получает максимальный ток. Поэтому КПД светодиода соответствует этому току. В то же время КПД светодиода значительно растет при уменьшении тока, проходящего через него. Вот график такой зависимости для современного белого светодиода:

Fig-35.jpg
Рис. 35

На этом графике показана эффективность преобразования электрической энергии в световую. Для максимального тока она составляет 0.9, а для половинного тока 1.08. Поэтому для тока, составляющего 50 % от максимального, прирост эффективности при управлении яркости путём CCR относительно PWM составляет: (1,08-0,9)/0,9*100=20%.

В случае управления яркостью светодиода путём PWM, на светодиод будет идти ток максимальной силы 50 % времени его работы. Таким образом, реальный выигрыш в КПД для CCR по сравнению с PWM, составит половину от 20 %, то есть 10%.

Для других типов светодиодов увеличение эффективности светодиода в сравнении с PWM с таким же средним током может быть от 5 до 20 % в зависимости от типа светодиода. Поэтому регулировка количества излучения с помощью CCR позволяет сэкономить в реальных сценариях использования светильника примерно 10-15 % энергии. Отметим, что сэкономленная энергия не будет нагревать ни кристалл светодиода, ни радиатор светильника.

Также хочется упомянуть ещё одно важное преимущество Hybrid dimming перед PWM. Дело в том, что срок жизни светодиодов зависит от величины тока и температуры кристалла светодиода. Зависимость срока жизни от величины тока нелинейна: в два раза больший ток приводит к сокращению срока службы светодиода не в 2 раза, а в 3-4.

Влияние повышенной температуры, если она не выходит за рамки, указанные производителем, для современных светодиодов не так сильно, как для светодиодов ранних поколений. Поэтому можно подытожить, что Hybrid dimming для многих сценариев использования светодиодов может продлить их срок жизни примерно в два раза.

Итак, – гибридное управление силой тока обеспечивает истинный спектр и яркость, а также значительно увеличивает эффективность светодиодов и их срок жизни.

5. Обеспечение гомогенности спектра светильника и питания нижних частей кораллов. Максимальная декоративность путём использования рассеянного света

Н.Ф. Золотницкий в своей книге [1] отмечал:
“рассеянный свет ... замечательно благодетельно действует на развитие растительности в аквариуме, на обильное выделение ею кислорода и в то же время ... замедляет развитие водорослей.

[растения] надо сажать не очень тесно, а так, чтобы между каждым из растений оставалось свободное пространство и чтобы свет мог освещать их сверху донизу. Особенно же надо обращать внимание, чтобы корни их освещались.”


Его мнение о пользе рассеянного света подтверждают современные исследования [16]. Также аквариумисты прекрасно знают, что как кораллы, так и растения выглядят наиболее декоративно только в том случае, когда их нижние части получают достаточное освещение.

К сожалению, как мы отмечали выше, по факту многие аквариумные светодиодные светильники являются точечными источниками света. То есть свет от них имеет узкую диаграмму направленности, в аквариуме образуются резкие световые переходы с “жесткими” тенями и такой свет плохо проникает к нижним частям фотосинтетиков.

В последнее время производители светодиодных светильников начали использовать рассеиватели, или используют матовое покрытие наружной поверхности вторичной оптики светодиодов. К сожалению, первое решение нередко используется без рефлектора, поэтому приводит к значительным потерям света. Второе решение в принципе не может обеспечить необходимого эффекта. Использование зеркальных отражателей в светильниках с управляемым спектром в принципе недопустимо, будь то обычные рефлекторы или же линзы TIR [17], потому что такие решения не позволяют получить хорошую равномерность спектра.

Давайте посмотрим, что получается при попытке использования зеркального отражателя. Аналогичный эффект будет с TIR оптикой, потому что она тоже использует зеркальное отражение. Установим зеркальный отражатель на очень плотную светодиодную сборку, показанную на рис. 23, и сфотографируем на экране результат работы этой оптической системы:

Fig-36-1024x923.jpg
Рис. 36

Как видите, “дискотека”, отражённая от стенок рефлектора, весьма заметна.
Посмотрим теперь, как выглядит та же самая светодиодная сборка с применением отражателя с Ламбертовым, то есть диффузным отражением:

Fig-37.jpg
Рис. 37

Как видите, “дискотека”, отражённая от стенок рефлектора, полностью исчезла. В случае, если мы добавим на выходе светового потока из рефлектора ещё и рассеиватель, то “дискотека” от светодиодов в центральной части будет также практически полностью устранена.

Какие ещё могут быть варианты решения этой задачи? Может быть, получится избавиться от “дискотеки” без применения рефлекторов из специального материала, если светодиоды расположить предельно плотно, так плотно, насколько это вообще возможно? Мы проверяли и такой вариант. Совместно с компанией TSLC нами был разработан уникальный светодиод. Он состоял из 12 разновидностей светодиодов с единой первичной оптикой, в корпусе размером 9х9мм, при этом каждый светодиод управлялся отдельно от остальных:

Fig-38.jpg
Рис. 38

К сожалению, “дискотека” от такого светодиода была довольно заметной. Потому что единая первичная оптика данного светодиода превращает кристаллы светодиодов фактически в фонарики, который из которых светит в своём телесном углу.

Иллюстрацией этого факта может служить диаграмма распределения излучения для подобного четырёхкристального светодиода TSLC T5050M:

Fig-39-1024x667.jpg
Рис. 39


Подобные диаграммы указывались изначально в документации всех 4-х кристальных светодиодов с единой первичной оптикой, в том числе для светодиодов производства Cree. Однако, в дальнейшем этот производитель начал указывать не поканальную, а суммарную диаграмму распределения излучения, которая в документации на светодиод XLamp® XM-L® Color сегодня выглядит так:

Fig-40.jpg
Рис. 40


В последнее время стали встречаться светильники, которые имеют рассеиватель, но не имеют рефлектора. В этом случае светильник может иметь очень тонкий профиль, потому что в этом случае нет необходимости размещать в нём рефлектор, который работает тем лучше, чем больше его физические размеры. К сожалению, в таком случае, мы получаем очень широкий световой поток от светильника. Значительная часть света уходит мимо аквариума и нередко попадает в глаза человеку, наблюдающему за аквариумом. Такой слепящий эффект очень неприятен и производители вынуждены использовать для борьбы с этим эффектом довольно большие дефлекторы.

Вот так выглядит светодиодный светильник, оснащённый рассеивателем, но без рефлектора, от известного своим перфекционизмом бренда [18].

Fig-41.jpg
Рис. 41

Как видите, дефлекторы настолько велики, что делают конструкцию светильника чрезвычайно громоздкой.

Разумеется, рефлектор с диффузным отражением света не в состоянии идеально сформировать световой поток светильника, полностью исключив боковую засветку. Но не надо забывать, что полного отсутствия боковой засветки невозможно добиться даже у светильников, которые представляют собой по сути точечные источники света, оснащённые TIR оптикой. В частности, для решения этой проблемы у светильников AI Prime HD сторонние производители предлагают вот такие дефлекторы [19]:

Fig-42.jpg
Рис. 42

Наша практика показывает, что грамотно спроектированные рефлекторы с диффузным отражением уже при относительно скромных габаритах вполне успешно решают задачу формирования светового потока с несущественной боковой засветкой.

Итак, - использование специального диффузного рефлектора и диффузора необходимо для аквариумного светильника.

Подытожим.

Светильник – самый мощный инструмент формирования красоты вашего аквариума. Он предназначен в первую очередь не для растений или кораллов в вашем аквариуме, а именно для вас, чтобы создать именно такую картину вашего аквариума, какая понравится именно вам.

Светильник, который будет успешно решать задачи формирования наиболее красивого облика вашего аквариума, а также создаст наиболее комфортные условия для фотосинтетиков должен иметь следующие инженерные решения:

1. Компактные и идентичные светодиодные сборки, содержащие минимум 7 светодиодов с различными спектрами, каждый с отдельным каналом управления.
2. Неравномерное расположение светодиодных сборок для обеспечения равномерной освещённости.
3. Управление яркостью Hybrid dimming, которое позволит устанавливать истинные спектр и яркость.
4. Рефлектор с диффузным отражением и диффузор.

Такой светильник сделает ваше хобби существенно проще, а аквариум – значительно красивее!

Ссылки.
1. Н. Ф. Золотницкий. Аквариум любителя. 1885.
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthetically_active_radiation
3. https://www.apogeeinstruments.com/full-spectrum-quantum-sensor/
4. https://www.seneye.com/catalog/product/view/id/20/s/seneye-reef/category/5/
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Color_temperature
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Color_rendering_index
7. https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201002091027.htm
8. https://reefs.com/magazine/light-in-the-reef-aquaria/
9. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/php.12233
10. https://forum.zeovit.com/forum/picture-forums/tank-gallery-all-languages/24659-adee-s-sunlit-reef
11. https://studbooks.net/2237619/informatika/dostoinstva_ogranicheniya_tsvetovoy_modeli
12. Как свет регулирует жизнь растений O. N. KULAEVA
13. https://www.bbc.com/worklife/article/20180502-sisu-the-finnish-art-of-inner-strength
14. "The Complete Book of AquariumPlants", Robert Allgayer and Jacques Teton (1987, ISBN 0-7063-6614-X)
15. https://www.researchgate.net/publication/259202813_Efficiency_of_Photosynthesis_in_Continuous_and_Pulsed_Light_Emitting_Diode_Irradiation
16. Advantages of diffuse light for horticultural production and perspectives for further research. Tao Li, Qichang Yang
17. https://www.osram.us/ledengin/products/lenses/index.jsp
18. https://www.adana.co.jp/en/contents/products/na_lighting/detail05.html#series-box1
19. https://www.thingiverse.com/thing:3698357

Переведено специально для ReefCentral.ru
Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.                  
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru        


Количество показов статьи: 3974