Симулятор спектру світлодіодів

Під час розробки світлодіодних ламп, особливо в ситуаціях коли потрібно відтворити нестандартний спектр або отримати спеціальні параметри випромінюваного світла, потрібно провести інженерну оцінку, вибрати тип світлодіодів та потужність їх використання для отримання необхідного спектра та/або параметрів світлового потоку.

Для спрощення завдання я створив спеціальний онлайн інструмент із простим і зрозумілим меню.

Симулятор спектра світлодіодів — це інструмент, який дозволяє отримати результуючий спектр у результаті поєднання кількох світлодіодів із різною температурою світіння або довжиною хвилі. Підходить також для отримання підсумкового спектра для змішаних джерел світла.

Симулятор спектру світлодіодів дозволяє додавати оцифровані спектри різних світлодіодів (та інших джерел світла), різної потужності та від різних виробників, вказувати параметри світлодіодів і в результаті бачити не лише підсумковий спектр, а й такі параметри як підсумкова температура світіння (CCT), оцінку індексу кольоропередачі CRI та CQS, циркадні метрики, а також велику кількість метрик, що використовуються у створенні спеціальних спектрів для освітлення рослин.

Розрахунок параметрів для створення фітоламп:

• ePAR розподіл;
• загальний PPE створюваного світлодіодного модуля;
• загальна ефективність у PPF;
• радіометрична потужність;
• загальний світловий потік;
• відхилення від локуса Планка (Duv).

Більш детально про параметр PPF^↗ можна прочитати в окремій статті, також читайте про параметр PPE^↗. Обидві статті містять інтерактивний віджет для наочного пояснення.

Наш інструмент також дозволяє проводити порівняння отриманого спектра зі спектром абсолютно чорного тіла, спектром сонця та кривою McCree.

Одна з ключових особливостей інструменту - реалізована можливість перемикання режиму відображення спектра: енергетичний та квантовий спектр. Це дуже важливо при проектуванні світлодіодних ламп для рослин.

Як порахувати результуючий спектр світильника за допомогою нашого симулятора

Крок 1:

Щоб отримати оцифрований спектр світлодіодів, які обрані для використання у вашому проекті, використовуйте інструмент оцифрування спектра світлодіодів^↗. Інструмент дуже простий у використанні і вимагає лише скриншота спектрограми з даташита світлодіода. Більш детальна інструкція щодо використання знаходиться у статті на сторінці з інструментом оцифрування спектра. Оцифрований спектр збережіть на вашому комп'ютері у форматі .csv або .json.

Інструмент для симуляції спектра має вбудований парсер, це дозволяє у назву файлу, що містить параметри оцифрованого спектра світлодіода, одразу вписати основні параметри цього світлодіода згідно з даташитом. Нижче наводжу приклад на основі світлодіода Bridgelux серії Thrive 5000K, оцифрований спектр у форматі json з прописаними параметрами світлодіода: Thrive_5000K_9.1V_100mA_108Lm.json .

Парсер налаштований на такі параметри як V, mA, Lm, PPF або mW. Порядок зазначення значень не важливий, як роздільник потрібно використовувати символ нижнього підкреслення "_".

Розберемо назву файлу Thrive_5000K_9.1V_100mA_108Lm.json:

• Thrive_5000K - довільна назва, зручно вказувати тип світлодіода та його температуру світіння або довжину хвилі;
• _9.1V - напруга падіння одного світлодіода (у світлодіодів Thrive це 9.1 вольт);
• _100mA - номінальний струм світлодіода за даташитом;
• _108Lm - світловіддача світлодіода за даташитом при номінальному струмі (100mA). Можна вказати також потужність випромінювання в mW або кількість випромінюваних фотонів у PPF. Скрипт автоматично перерахує будь-який із зазначених параметрів.

Рекомендований формат дозволяє внести в назву файлу оцифрованого спектра всі необхідні для розрахунку параметри світлодіода, що позбавляє необхідності щоразу перевіряти даташит світлодіода для звірки даних, а також автоматично парсер заповнюватиме необхідні поля одразу після завантаження файлу в інструмент симуляції спектра, що в підсумку дуже спрощує моделювання та заощаджує багато часу.

Крок 2:

У вікні першого каналу за допомогою кнопки "Завантажити спектр (.json, .csv)" завантажити файл із параметрами спектра у форматі .json або .csv.

Для додавання додаткового каналу натисніть кнопку "+ Додати канал". Максимально можлива кількість каналів - 15шт.

Встановіть фактичний робочий струм для кожного з доданих типів світлодіодів, тобто струм, який фактично протікатиме через кожен світлодіод у робочому модулі.

Вкажіть кількість світлодіодів кожного типу, які передбачається встановити у світлодіодному модулі.

У разі збою автоматичного парсера, ви можете прописати або відкоригувати всі необхідні параметри світлодіодів вручну, за необхідності.

Для зручності кожен канал додатково відображає підсумкову електричну потужність групи світлодіодів, загальну PPF та загальний світловий потік у люменах.

Крок 3:

Встановіть необхідні пресети для відображення або порівняння результуючого спектра:

Меню знаходиться одразу під графіком спектра, саме тут знаходиться чекбокс для перемикання між відображенням енергетичного та квантового спектрів.

Меню додаткових налаштувань також дозволяє:

• залити спектрограму кольором;
• приховати вихідні спектри (позначаються пунктиром);
• увімкнути відображення кривої McCree;
• увімкнути відображення спектра сонця;
• увімкнути відображення спектра абсолютно чорного тіла. Відображення доступне лише в режимі енергетичного спектра.

Крок 4:

Після завантаження спектрів та встановлення інших вхідних даних інструмент автоматично рахує результуючий спектр, основні електричні параметри та світлотехнічні параметри:

• Загальна споживана потужність усіх груп світлодіодів;
• Загальний світловий потік у люменах;
• Температура світіння в Кельвінах;
• Дані кольоропередачі за шкалою CRI та CQS;
• Основні циркадні метрики;
• Сумарна радіометрична потужність світлового потоку;
• PPF для PAR діапазону;
• PPF для ePAR діапазону;
• Загальна ефективність джерела світла в µmol/J;
• Світловіддача в lm/W;
• Світловіддача в LER. LER (Luminous Efficacy of Radiation) - це характеристика, яка показує, наскільки ефективно людське око сприймає випромінюваний потік світла. Вона вимірюється в люменах на ват і визначає відношення повного світлового потоку до повного потоку випромінювання;
• Хроматична діаграма та відхилення від локуса (Duv).

У процесі аналізу даних ви можете змінювати струм, що протікає через ті чи інші групи світлодіодів (змінювати потужність), додавати або прибирати канали світлодіодів, інструмент динамічно перераховуватиме результуючий спектр.

Після отримання необхідного результату можна завантажити звіт у PDF, який міститиме всі перераховані вище параметри, а також спектрограму в тому вигляді, який ви налаштуєте за допомогою додаткового меню з чекбоксами. Звіт PDF створюється тією мовою, яка обрана в налаштуваннях сторінки.

У разі потреби отримати оцінку кольоропередачі та графік за стандартом ТМ-30, ви можете зберегти спектр, отриманий за результатом симуляції, у формат .csv або .json, потім повернутися в інструмент оцифрування спектра світлодіодів^↗, завантажити збережений файл та отримати звіт з колориметрії за стандартами CRI, CQS та TM-30. Приклад звіту у форматі PDF:

На нашому сайті, в розділі "база знань" читайте докладніше про індекс кольоропередачі CRI, CQS та стандарт TM-30^↗.

Основне призначення симулятора змішування спектрів світлодіодів

Маючи багаторічний досвід у проектуванні різних світлодіодних модулів для рослин, я навчився розраховувати спектр за співвідношенням потужності світлодіодів, які я вибрав для створення нового модуля. Зараз я точно можу відтворити заданий спектр, маючи тільки даташити на світлодіоди. Але так було не завжди, і коли я вчився, я пройшов довгий шлях помилок, у мене не виходило відтворити точно задуманий спектр. Я моделював, експериментував і доводив проекти до поставлених параметрів. Всі ці експерименти займали досить багато часу.

З появою великої кількості світлодіодів повного спектра (як сонце) або спеціального спектра з'явилася необхідність порівнювати спектри світлодіодів від різних виробників для вибору кращого варіанта. Це привело мене до ідеї створення інструменту для оцифрування спектра світлодіодів або інших джерел світла.

Коли інструмент для оцифрування спектра був готовий, я зрозумів, що основна частина коду вже готова і створити інструмент для симуляції та розрахунку підсумкового спектра при змішуванні різних світлодіодів цілком реалізовне завдання. Подібний симулятор дає можливість експериментувати зі змішуванням спектрів і бачити підсумковий спектр наочно буквально через 1 хвилину, що робить мою розробку унікальною і фактично єдиною в інтернеті.

Змішування різних спектрів неминуче призводить до зміни загальної температури світіння, зміни параметра Duv, зміни індексу кольоропередачі. Параметри такого роду не дуже важливі з точки зору освітлення рослин, але є першочергово важливими при проектуванні побутового, промислового або декоративного освітлення.

Створений інструмент симуляції спектра дозволяє вирішувати одразу всі перераховані вище завдання і підходить для проектування таких систем освітлення:

• високоякісне освітлення для побутового використання;
• промислове освітлення;
• освітлення торгових просторів та вітрин;
• спеціалізоване освітлення для кіно- та фотозйомки;
• системи освітлення рослин;
• експериментальні системи освітлення рослин з керованими каналами;
• освітлення інтер'єру;
• різні типи керованого освітлення різного призначення від декоративного до лабораторного.

Особливості інструменту для симуляції спектра світлодіодних джерел світла

Крім основних популярних параметрів світла наш інструмент рахує циркадні метрики, а також інструмент виконує базовий аналіз спектра з точки зору ефективності освітлення рослин.

Розрахунок додаткових параметрів робить наш інструмент максимально універсальним та корисним для використання при проектуванні джерел світла абсолютно різного призначення.

Просте та зрозуміле меню дозволяє налаштовувати та використовувати симулятор спектра світлодіодів навіть новачкам.

Ви можете залишити свій публічний відгук, написати пропозицію щодо покращення інструменту або поставити запитання у спеціальному полі внизу сторінки.

Оцінка спектра для освітлення рослин за допомогою міксера спектрів

Крім симуляції підсумкового спектра, який виходить при змішуванні світлодіодів з різною довжиною хвилі та/або температурою світіння від одного або різних виробників, наш інструмент рахує всі основні метрики, які використовуються для оцінки освітлення рослин.

Квантовий спектр - чекбокс, який перемикає відображення між стандартним енергетичним спектром і квантовим спектром! Це найважливіший параметр при оцінці спектра для освітлення рослин. Для фотосинтезу (фотохімічної реакції) фактично не важливо, яку енергію має фотон світла, першочергове значення має загальна кількість одержуваних фотонів.

Налаштування дозволяє наочно побачити різницю між двома типами спектрів. При аналізі спектра для освітлення рослин обов'язково активуйте чекбокс "Квантовий спектр"! Візуальна різниця може вас здивувати.

Для розрахунку денної норми отриманих фотонів рослиною використовують параметр DLI. Для розрахунку використовуйте наш калькулятор DLI^↗, який дозволяє задати світловий потік у PPFD і кількість годин, протягом яких рослина освітлюється.

• Оцінка діапазону 650-680нм зручна для оцінки спектрів білих світлодіодів. Як багато випромінює світла білий світлодіод у найефективнішому діапазоні фотосинтезу. Деякі білі світлодіоди повного спектра з високим індексом кольоропередачі мають досить велику частку випромінювання в далекому червоному діапазоні спектра. Метрика також показує максимальний пік у вужчому діапазоні 660нм ± 5нм.;
• Оцінка ePAR розподілу показує як розподіляється вся енергія світлового потоку за діапазонами спектра у відсотках. Дозволяє легко зрозуміти, для яких саме стадій розвитку рослини підходить спектр.;
• Розрахунок значення загального PPF для PAR і окремо для розширеного діапазону ePAR.;
• Загальна ефективність PPE в µmol/J - параметр інструмент рахує з урахуванням поправки на температуру кристала світлодіода! Ця метрика дозволяє обчислити з досить високою точністю РЕАЛЬНУ ефективність проектованого світлодіодного модуля або вже наявної лампи, якщо точно відомий тип встановлених світлодіодів.

При розрахунку дуже важливо враховувати теплову поправку, оскільки при нагріванні кристала світлодіода ККД відчутно знижується, також ККД світлодіодів знижується зі збільшенням струму вище номінального. Це зниження наш інструмент також враховує за усередненими значеннями, рівносильно як і збільшення ККД при зниженні струму нижче номінального.

Саме врахування таких нюансів виключає можливість точно розрахувати загальний PPE світильника, просто склавши PPE всіх світлодіодів у модулі. Зазвичай це роблять маркетологи, вводячи покупців в оману.

Тепер, використовуючи наш симулятор спектра, ви можете перевірити реальні параметри своєї лампи, якщо впевнені, що тип встановлених світлодіодів точно відповідає заявленому. З цим також часто бувають проблеми.

Циркадні метрики

Біомаркери циркадних ритмів — це показники, за якими вчені та лікарі оцінюють роботу внутрішнього «біологічного годинника» організму.

Основні параметри, які відносяться до оцінки циркадних ритмів і які рахує наш інструмент для оцінки змішування спектрів:

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

Більш докладно про вплив освітлення на сон і калькулятор меланопічної EDI^↗ читайте в розділі "база знань". На сьогодні вивчення впливу освітлення на людину, її активність і здоров'я активно розвивається і стає все більш актуальним через розвиток світлодіодного освітлення.