Симулятор спектра светодиодов

Во время разработки светодиодных ламп, особенно в ситуациях когда требуется воспроизвести не стандартный спектр или получить специальные параметры излучаемого света, требуется провести инженерную оценку, выбрать тип светодиодов и мощность их использования для получения необходимого спектра и\или параметров светового потока.

Для упрощения задачи я создал специальный онлайн инструмент с простым и понятным меню.

Симулятор спектра светодиодов - это инструмент который позволяет получить результирующий спектр в результате совмещения нескольких светодиодов с разной температурой свечения или длинной волны. Подходит так же для получения итогового спектра для смешанных источников света. 

Симулятор спектра позволяет добавлять оцифрованный спектр различных светодиодов (и других источников света), разной мощности и от разных производителей, указывать параметры светодиодов и в результате видеть не только итоговый спектр но и такие параметры как итоговая температура свечения (CCT), оценку индекса цветопередачи CRI и CQS, циркадные метрики, а так же большое количество метрик используемых в создание специальных спектров для освещения растений. 

Расчет параметров для создания фитоламп:

• ePAR распределение;
• общий PPE создаваемого светодиодного модуля;
• общая эффективность в PPF;
• радиометрическая мощность;
• общий световой поток;
• отклонение от локуса Планка (Duv).

Более подробно про параметр PPF^↗ можно прочитать в отдельной статье, так же читайте про параметр PPE^↗. Обе статьи содержат интерактивный виджет для наглядного объяснения.

Наш инструмент так же позволяет проводить сравнение полученного спектра с спектром абсолютно черного тела, спектром солнца и кривой McCree.

Одна из ключевых особенностей инструмента - реализована возможность переключения режима отображения спектра: энергетический и квантовый спектр. Это очень важно при проектировании светодиодных ламп для растений.

Как посчитать результирующий спектр светильника с помощью нашего симулятора

Шаг 1:

Что бы получить оцифрованный спектр светодиодов, которые выбраны для использования в вашем проекте, используйте инструмент оцифровки спектра светодиодов^↗. Инструмент очень прост в использовании и требует только скриншота спектрограммы из даташита светодиода. Более подробная инструкция по использованию находится в статье на странице с инструментом оцифровки спектра. Оцифрованный спектр сохраните на вашем компьютере в формате .csv или .json.

Инструмент для симуляции спектра имеет встроенный парсер, это позволяет в название файла содержащий параметры оцифрованного спектра светодиода сразу вписать основные параметры этого светодиода согласно даташит. Ниже привожу пример на основе светодиода Bridgelux серии Thrive 5000K, оцифрованный спектр в формате json с прописанными параметрами светодиода: Thrive_5000K_9.1V_100mA_108Lm.json .

Парсер настроен на такие параметры как V, mA, Lm, PPF или mW. Порядок указания значений не важен, в качестве разделителя нужно использовать символ нижнего подчеркивания "_".

Разберем названия файла Thrive_5000K_9.1V_100mA_108Lm.json:

• Thrive_5000K - произвольное название, удобно указывать тип светодиода и его температуру свечения или длину волны;
• _9.1V - напряжение падения одного светодиода (у светодиодов Thrive это 9.1 вольт);
• _100mA - номинальный ток светодиода по даташиту;
• _108Lm - светоотдача светодиода по даташиту при номинальном токе (100mA). Можно указать так же мощность излучения в mW или количество излучаемых фотонов в PPF. Скрипт автоматически пересчитает любой из указанных параметров.

Рекомендованный формат позволяет внести в название файла оцифрованного спектра все необходимые для расчета параметры светодиода, что избавляет от необходимости каждый раз проверять даташит светодиода для сверки данных, а так же автоматически парсер будет заполнять необходимые поля сразу после загрузки файла в инструмент симуляции спектра, что в итоге сильно упрощает моделирование и экономит много времени.

Шаг 2:

В окне первого канала с помощью кнопки "Загрузить спектр (.json, .csv)" загрузить фаил с параметрами спектра в формате .json или .csv.

Для добавления дополнительного канала нажмите на кнопку "+ Добавить канал". Максимально возможное количество каналов - 15шт.

Установите фактический рабочий ток для каждого из добавленных типов светодиодов, то есть ток который фактически будет протекать через каждый светодиод в рабочем модуле.

Укажите количество светодиодов каждого типа которые предполагается установить в светодиодном модуле.

В случае сбоя автоматического парсера, вы можете прописать или откорректировать все необходимые параметры светодиодов в ручную, при необходимости.

Для удобства, каждый канал дополнительно отображает итоговую электрическую мощность группы светодиодов, общую PPF и общий световой поток в люменах.

Шаг 3:

Установите необходимые пресеты для отображения или сравнения результирующего спектра:

Меню находится сразу под графиком спектра, именно тут находится чек бокс для переключения между отображением энергетического и квантового спектров.

Меню дополнительных настроек так же позволяет:

• залить спектрограмму цветом;
• скрыть исходные спектры (обозначаются пунктиром);
• включить отображение кривой McCree;
• включить отображения спектра солнца;
• включить отображение спектра абсолютно черного тела. Отображение доступно только в режиме энергетического спектра.

Шаг 4:

После загрузки спектров и установки других входных данных инструмент автоматически считает результирующий спектр, основные электрические параметры и светотехнические параметры:

• Общая потребляемая мощность всех групп светодиодов;
• Общий световой поток в люменах;
• Температура свечения в Кельвинах;
• Данные цветопередачи по шкале CRI и CQS;
• Основные циркадные метрики;
• Суммарная радиометрическая мощность светового потока;
• PPF для PAR диапазона;
• PPF для ePAR диапазона;
• Общая эффективность источника света в µmol/J;
• Светоотдача в lm/W;
• Светоотдача в LER. LER (Luminous Efficacy of Radiation) - это характеристика, которая показывает, насколько эффективно человеческий глаз воспринимает излучаемый поток света. Она измеряется в люменах на ватт и определяет отношение полного светового потока к полному потоку излучения;
• Хроматическая диаграмма и отклонение от локуса (Duv).

В процессе анализа данных вы можете менять ток протекающий через те или иные группы светодиодов (менять мощность), добавлять или убирать каналы светодиодов, инструмент динамически будет пересчитывать результирующий спектр.

После получения необходимого результата можно скачать отчет в PDF, который будет содержать все выше перечисленные параметры, а так же спектрограмму в том виде, который вы настроите с помощью дополнительного меню с чек боксами. Отчет PDF создается на том языке, который выбран в настройках страницы.

В случае необходимости получить оценку цветопередачи и график по стандарту ТМ-30, вы можете сохранить спектр полученный по результату симуляции в формат .csv или .json затем вернутся в инструмент оцифровки спектра светодиодов^↗, загрузить сохраненный файл и получить отчет по колориметрии по стандартам CRI, CQS и TM-30. Пример отчета в формате PDF:

На нашем сайте, в разделе "база знаний" читайте подробнее про индекс цветопередачи CRI, CQS и стандарт TM-30^↗.

Основное назначение симулятора смешивания спектров светодиодов

Имея многолетний опыт в проектировании различных светодиодных модулей для растений я научился расчитывать спектр по соотношению мощности светодиодов которые я выбрал для создания нового модуля. Сейчас я точно могу воспроизвести заданный спектр имея только даташиты на светодиоды. Но так было не всегда и когда я учился, я прошел длинный путь ошибок, у меня не получалось воссоздать точно задуманный спектр. Я моделировал, экспериментировал и доводил проекты до поставленных параметров. Все эти эксперименты занимали достаточно много времени.

С появлением большого количества светодиодов полного спектра (как солнце) или специального спектра появилась необходимость сравнивать спектра светодиодов от разных производителей для выбора лучшего варианта. Это привело меня к идеи создания инструмента для оцифровки спектра светодиодов или других источников света.

Когда инструмент для оцифровки спектра был готов, я понял что основная часть кода уже готова и создать инструмент для симуляции и расчета итогового спектра при смешивании разных светодиодов вполне реализуемая задача. Подобный симулятор дает возможность экспериментировать с смешиванием спектров и видеть итоговый спектр наглядно буквально через 1 минуту, что делает мою разработку уникальной и фактически единственной в интернете.

Смешивание различных спектров неизбежно приводит к изменению общей температуры свечение, изменению параметра Duv, изменения индекса цветопередачи. Параметры данного рода не очень важны с точки зрения освещения растений но являются первостепенно важными при проектировании бытового, промышленного или декоративного освещения.

Созданный инструмент симуляции спектра позволяет решать сразу все выше перечисленные задачи и подходит для проектирования таких систем освещения:

• высококачественное освещение для бытового использования;
• промышленное освещение;
• освещение торговых пространств и витрин;
• специализированное освещение для кино и фото съемки;
• системы освещения растений;
• экспериментальные системы освещения растений с управляемыми каналами;
• освещение интерьера;
• различные типы управляемого освещения разного назначения от декоративного до лабораторного.

Особенности инструмента для симуляции спектра светодиодных источников света

Кроме основных популярных параметров света наш инструмент считает циркадные метрики, а так же инструмент выполняет базовый анализ спектра с точки зрения эффективности освещения растений.

Расчет дополнительных параметров делает наш инструмент максимально универсальным и полезным для использования при проектировании источников света совершенно разного назначения.

Простое и понятное меню позволяет настраивать и использовать симулятор спектра светодиодов даже новичкам.

Вы можете оставить свой публичный отзыв, написать предложение по улучшению инструмента или задать вопрос в специальном поле внизу странице.

Оценка спектра для освещения растений с помощью миксера спектров

Кроме симуляции итогового спектра который получается при смешивании светодиодов с разной длинной волны и\или температурой свечения от одного или разных производителей наш инструмент считает все основные метрики которые используются для оценки освещения растений.

Квантовый спектр - чек бокс который переключает отображение между стандартным энергетическим спектром и квантовым спектром! Это самый важный параметр при оценки спектра для освещения растений. Для фотосинтеза (фотохимической реакции) фактически не важно какую энергию имеет фотон света, первостепенное значение имеет общее количество получаемых фотон.

Настройка позволяет наглядно увидеть разницу между двумя типами спектров. При анализе спектра для освещения растений обязательно активируйте чек бокс "Квантовый спектр"! Визуальная разница вас может удивить.

Для расчета дневной нормы полученных фотон растением используют параметр DLI. Для расчета используйте наш калькулятор DLI^↗ который позволяет задать световой поток в PPFD и количество часов в течении которых растение освещается.

• Оценка диапазона 650-680нм удобна для оценки спектров белых светодиодов. Как много излучает света белый светодиод в самом эффективном диапазоне фотосинтеза. Некоторые белые светодиоды полного спектра с высоким индексом цветопередачи имеют достаточно большую долю излучения в дальнем красном диапазоне спектра. Метрика так же показывает максимальный пик в более узком диапазоне 660нм ± 5нм.;
• Оценка ePAR распределения показывает как распределяется вся энергия светового потока по диапазонам спектра в процентах. Позволяет легко понять для каких именно стадий развития растения подходит спектр.;
• Расчет значения общего PPF для PAR и отдельно для расширенного диапазона ePAR.;
• Общая эффективность PPE в µmol/J - параметр инструмент считает с учетом поправки на температуру кристалла светодиода! Данная метрика позволяет вычислить с достаточно высокой точностью РЕАЛЬНУЮ эффективность проектируемого светодиодного модуля или уже имеющийся лампы, если точно известен тип установленных светодиодов.

При расчете очень важно учитывать тепловую поправку, так как при нагреве кристалла светодиода КПД ощутимо снижается, так же КПД светодиодов снижается с увеличением тока выше номинального. Это снижение наш инструмент так же учитывает по усредненным значениям, равносильно как и увеличение КПД при снижении тока ниже номинального.

Именно учет таких нюансов исключает возможность точно рассчитать общий PPE светильника просто сложив PPE всех светодиодов в модуле. Обычно это делают маркетологи, вводя покупателей в заблуждение.

Теперь использую наш симулятор спектра вы можете проверить реальные параметры своей лампы если уверены что тип установленных светодиодов точно соответствует заявленному. С этим так же часто бывают проблемы.

Циркадные метрики

Биомаркеры циркадных ритмов — это показатели, по которым ученые и врачи оценивают работу внутренних «биологических часов» организма.

Основные параметры которые относятся к оценки циркадных ритмов и которые считает наш инструмент для оценки смешивания спектров:

• коэффициент m-DER;
• Melanopic EDI;
• Well V2.

Более подробно о влиянии освещения на сон и калькулятор меланопической EDI^↗ читайте в разделе "база знаний". На сегодня изучения влияние освещение на человека, его активность и здоровье активно развивается и становится все более актуальным в силу развития светодиодного освещения.