Обзор первого светодиодного светильника для аквариумов «Vertex illumina»

Обзор первого светодиодного светильника «Illumina Vertex»

Дж. Безэд (J. Behzad), А. Шнейдер (A. Schneider), компания «Vertex»

Краткое содержание: недавно компания «Vertex» объявила о выпуске нового светодиодного светильника для морских аквариумов весьма привлекательной конструкции, изготовленной из высококачественных материалов с использованием новейших достижений науки в области светодиодов. Управление многофункциональным прибором происходит через встроенный контроллер, доступ к которому можно получить как при помощи ЖК-дисплея, так и посредством собственного протокола связи стандарта IEEE 802.15.4 PHY.

Ключевые слова: «Vertex», новый светодиодный светильник для морских аквариумов, встроенный контроллер, IEEE 802.15.4 PHY.

I.                   Введение

Конструкция, разработанная компанией «Vertex Illumina», облегчающая управление аквариумными устройствами, является лишь одной из составляющих успеха выпускаемой новинки.

Светильник «Illumina» представляет собой основную часть, выполненную из черного анодированного прессованного алюминия, и несколько полностью автономных светодиодных модулей, расположенных под основной алюминиевой частью. Для охлаждения на верхней поверхности устройства предусмотрен вентиляционный канал с несколькими встроенными вентиляторами. Хотя алюминий способен выдержать весь диапазон возможных рабочих температур, для повышения его верхнего предела встроены дополнительные вентиляторы. На рис.1 отображен внешний вид светильника.

Рис.1. Светильник «Illumina».

Светильник «Illumina» в поперечном разрезе показан на рис.2. Пространство между основной частью и декоративным профилем с канавками для монтажа креплений образует воздуховод. Для охлаждения самой горячей части устройства, называемой также горячей точкой, в этом вентиляционном канале располагаются несколько вентиляторов, количество которых зависит от размера светильника. Выступы в стенках вентиляционного канала призваны улучшить эффективность охлаждения.

Все светодиодные модули подсоединяются к электрической сети посредством кабеля, встроенного в один или два канала внутренней части светильника. Соединения между кабелем и модулем защищены пыле- и влагонепроницаемой прошивкой.

Рис.2. Светильник «Illumina» в поперечном разрезе.

Связь между светодиодными модулями обеспечивается собственным протоколом беспроводного соединения на базе стандарта физического уровня IEEE 802.15.4. Встроенный контроллер с ЖК-дисплеем позволяет настраивать и управлять каждым светодиодным модулем по отдельности. Эта концепция позволила превзойти возможности всех существующих на рынке подобных устройств и смоделировать, к примеру, восход луны слева направо или наоборот.

Продуманная система подключения и возможность беспроводного доступа позволяют легко заменять светодиодные модули, не задумываясь о сложностях электрических соединений. Нужно просто установить модули в устройство, и электроника сама позаботится об их корректной интеграции в общую систему.

Каждый светодиодный модуль состоит из 8-ми белых, 4-х голубых и 4-х ярко-синих светодиодов, то есть в сумме 16-ть светодиодов, которые в зависимости от установленной яркости потребляют до 40 Вт. Ниже в таблице приведены стандартные размеры различных моделей.

Модель	Количество модулей
Illumina 300мм	2
Illumina 600мм	4
Illumina 900мм	6
Illumina 1200мм	8
Illumina 1500мм	10
Illumina 180мм	12

Таблица I

Размеры светильника «Illumina» и количество светодиодных модулей

Как уже упоминалось выше на светильнике «Illumina» размещены светодиоды трех цветов: белый в приблизительно 7500 К, голубой в 470 нм и ярко-синий в 450 нм. Также многие аквариумисты хотели бы иметь в распоряжении и красный цвет для имитации заката и прочих нужд.

Чтобы удовлетворить наших клиентов в этой потребности, устройство спроектировано так, что аквариумисты могут переделывать свою подсветку по собственному желанию, устанавливая дополнительные модули. Такие модули станут доступны через несколько месяцев после выхода «Illumina» на рынок. Первые дополнительные модули будут красного, зеленого и красно-зеленого цветов.

I.                   Управление светильником «Illumina»

Как уже упоминалось раннее, в состав каждого устройства «Illumina» входят встроенный контроллер с ЖК-дисплеем и расположенные под ним четыре кнопки. При помощи этого интерфейса можно настраивать дату и время, канал беспроводной связи, язык, режим работы и т.д. Тут также можно узнать информацию о версии встроенного программного обеспечения, о состоянии основных и дополнительных модулей и многом другом.

Существует четыре основных режима:

·        Демонстрационная программа. Программа запускает короткую демонстрацию, показывающую основные возможности прибора. При переключении устройства в демонстрационный режим светильник запускает демонстрационный цикл, а текущая программа будет работать в фоновом режиме.

·        Программа по умолчанию. Этот режим запускает уже настроенную дневную и ночную программу и предназначен для начинающих пользователей. Единственные функции, доступные пользователю для редактирования, это включение и отключение ночной подсветки.

·        Программа пользователя. В этом режиме пользователь может настроить дневную и ночную программу для каждого из цветов светодиода по отдельности. Кроме того, в ночной программе может быть включен режим лунного 29,5306-дневного цикла.

·        Программа для опытных пользователей. Эта программа пишется при помощи специального программного обеспечения на персональном компьютере. Для загрузки настроек необходима карта памяти USB «V-link». В этом режиме Вам доступна настройка самых различных параметров: цветовые точки, смена дневного режима и перемещение луны слева направо и наоборот, а также имитация погодных явлений, таких как облака и молнии.

Для облегчения настройки состава цвета и проверки светового профиля во встроенное программное обеспечение контроллера были добавлены две дополнительные функции.

Первая функция облегчает поиск нужного цветового состава и называется «Мастерская цвета» («Lightstudio»). Когда эта функция включена, текущая программа работает в фоне, а пользователь, меняя настройки, в режиме реального времени может наблюдать вносимые изменения. Как только нужный цветовой состав подобран, настройки можно сохранить в соответствующую дневную или ночную программу. При наличии карты памяти USB «V-link» достаточно всего лишь мышкой передвигать ползунок каждого отдельного цвета и наблюдать за его изменением в аквариуме.

Следующая функция проверки светового профиля — «Быстрый просмотр» («Fast Motion»). При ее включении запускается быстрый просмотр 24-ех-часового режима. Эта дает Вам возможность легко и быстро проверить свои настройки.

II.                Законы отражения и преломления света

Хотя большинство продавцов светодиодных светильников устанавливают на них специальные светодиодные линзы для концентрации света в одной точке, где и достигаются высокие значения ФАР, компания «Vertex» решила пойти своим путем.

Была поставлена цель - получить как можно более яркий свет, одновременно добиваясь его равномерного распределения по всей поверхности для освещения всех обитателей аквариума. Как же этого добиться?

На рис. 3 показан аквариум с установленным сверху источником света, лучи которого исходят под некоторым углом 2α.

Рис. 3. Схема испытания

В этой схеме задействованы три коэффициента преломления: n₁, n₂ и n₃, где n₁ — коэффициент преломления воздуха (1,0), n₂ — коэффициент преломления воды (1,333) и n₃ — коэффициент преломления стекла (1,46). Коэффициенты преломления воды и стекла взяты при температуре 25°С.

Если мы посмотрим на различные световые лучи, то мы увидим, как они преломляются на границе сред n₁ и n₂. Поскольку n₁< n₂ все лучи отклоняются по направлению к вертикали. То же самое происходит на границе сред n₂ и n₃. Здесь снова n₂< n₃ и, следовательно, лучи опять преломляются по направлению к вертикали. Согласно правилам вертикаль располагается под прямым углом к исследуемой поверхности.

Теперь давайте взглянем на границу раздела стекла и воздуха (n₃→ n₁). Тут возможны три варианта:

Если

то лучи света преломляются в воздухе (красные стрелки). Если

то лучи света направляются вдоль границы раздела n₃→ n₁ (зеленые стрелки). Если

то лучи света полностью отражаются обратно в аквариум.

Очевидно, что мы заинтересованы только в третьем случае, когда все световые лучи отражаются назад в аквариум. Чтобы этого добиться, мы сначала должны найти угол ɣ (α).

Если мы рассмотрим закон отражения, принимая во внимания различные преломляющие среды, то β можно вычислить следующим образом:

 А ɣ можно вычислить так:

Из (4) и (5) следует, что

На рис. 4 построены кривые функций (4) и (6). Абсцисса представляет собой угол α в диапазоне 0-90°. Ордината — соответственно углы β и ɣ.

Рис. 4. β (α) и ɣ (α)

Обратите внимание на рисунке 4 на синюю линию. Она показывает угол полного внутреннего отражения ɣ_Crit = arcsin(n₁/n₃). Из уравнения (3) мы видим, что полное отражение характерно для всех углов ɣ (α) (зеленая линия), расположенных над синей линией. Значит все фотоны, находящиеся под углом меньше критического значения (α<62°), а это точка пересечения зеленой и синей линий, отразятся обратно в аквариум, тогда как остальные фотоны пройдут сквозь воду и стекло в окружающее пространство.

Другую полезную информацию мы можем получить, изучив кривую, обозначенную красным цветом. Тут мы видим, как световые лучи отражаются водой. Фотон, испускаемый источником света под углом 70°, войдет в воду под углом 46°.

Таким образом, при наличии светодиодов с совокупным углом светоизлучения в 124° (2α) все фотоны окажутся внутри аквариума и никакого дополнительного рассеянного излучения производиться не будет.

I.                   Вычисления и применение теории на практике

В предыдущем разделе мы показали, что если светильник для морских аквариумов «Illumina» без светодиодной оптики будет иметь угол апертуры в 124°, то все световые лучи будут отражаться в морской аквариум.

Для этого необходимо соблюдать следующее расстояние между подсветкой и поверхностью воды:

Где D — расстояние до поверхности воды, а W — ширина аквариума. Для типичной ширины аквариума в 24” оптимальным будет расстояние 6,4”.

А. Распределение световых лучей

Чтобы определить угол апертуры, мы провели ряд тестов с распределением световых лучей в специализированной лаборатории по изучению света. Распределение световых лучей проходило в комнате площадью 15 на 15 метров и высотой 25 метров. Температура воздуха поддерживалась на уровне 25°С с точностью в 0,5°С. Измерение светоотдачи производилось после того, как прибор достигал устойчивой температуры работы. Важно также, что фотодатчик при измерении двигался вокруг прибора, а не наоборот. Это важно, поскольку при перемещении прибора температура его работы может меняться.

Рис. 5 показывает распределение световых лучей в направлении x (красная кривая) и y (синяя кривая). Кривые практически совпадают.

Рис. 5. Измерение распределения световых лучей.

Для расчета световой энергии мы должны проинтегрировать по телесному углу dΩ = sin αdαd φ, где α — амплитуда, а φ — фаза. Из-за почти полной симметрии интегрирование сводится к sin αdα.

Интенсивность светового излучения на рис. 5 было измерено шагом в 5°. Затем мы попытались соотнести полученную кривую с функцией распределения света Ламберта I(α) = A cos (aα). Мы обнаружили, что при а = 90/78, полученная кривая приближена к функции. Наконец, мы можем вычислить всю световую энергию лучей, направленных в аквариум:

То есть около 90% световых лучей концентрируются в аквариуме. Некоторые могут возразить, что теряется около 10% светового излучения, но, тем не менее, упоминавшаяся выше светодиодная оптика имеет меньшие границы эффективности в районе 80-85%. 

А теперь посмотрим на распределение световых лучей светодиодов, оснащенных линзами. Давайте предположим, что угол апертуры у линз 40°. И снова при помощи функции распределения света Ламберта получим, что I(α) = А cos(90/40α). Подставив в уравнения (9) и (11) соответствующие значения получим результаты, приведенные в таблице II.

Угол апертуры		Диаметр светового пятна и глубина воды				Интенсивность света
до прело­мле­ния	после прело­мле­ния	6”	12”	18”	24”	в %
±5°	±3,8°	1,8”	2,6”	3,4”	4,2”	13%
±10°	±7,5°	3,7”	5,3”	6,9”	8,4”	46%
±15°	±11,3°	5,6”	8,0”	10,4”	12,8”	83%
±20°	±15°	7,6”	10,8”	14,0”	17,2”	100%

Таблица II

Распределение световых лучей через 40° линзу при различной глубине воды.

Из этой таблицы следует, например, что при глубине в 18” всего 46% световой энергии концентрируется в световом пятне диаметром 6,9”. На рис. 6 графически показаны данные таблицы II.

Рис. 6. Распределение световых лучей после прохода сквозь 40°-ую линзу и преломления в воде.

На рис. 7 таблица II изображена немного по-другому. Области разного оттенка показывают распределение световых лучей с шагом в ±5°. Абсцисса представляет собой диаметр светового пятна в дюймах, ордината — глубину воды. Две внутренние области показывают 46%-ую интенсивность в световом пятне диаметром 8,4” при глубине воды в 24”. Все это приводит к очень впечатляющим значениям ФАР в отдельных точках, но и к большому разбросу в интенсивности излучения.

Производители светодиодных светильников с использованием оптики утверждают, что линзы необходимы для лучшей концентрации света на отдельных областях, например, на песочном дне. Однако обычно люди, у которых в аквариуме над песком расположены не требующие яркого освещения кораллы, не слишком беспокоятся об интенсивности света. С другой стороны, аквариумисты с Мелкополиповыми жесткими или другими требующими интенсивного освещения кораллами вынуждены размещать их ближе к поверхности. А чем ближе к поверхности, тем меньше диаметр светового пятна, и хотя концентрация света тут высокая, все, что расположено над песчаным дном освещается плохо. Но это не очень заметно, поскольку на такой глубине нет объектов, способных отражать свет, хотя этот эффект (эффект размытия) отчетливо виден по освещению песчаного дна, которое оказывается более интенсивным на мелководье.

Рис. 7. Состав цвета при угле апертуры ±5°, ±10°, ±15°, ±20° после прохода сквозь 40°-ую линзу и преломления в воде.

Многие аквариумисты жалуются, что не могут выращивать Мелкополиповые жесткие кораллы, а также другие твердые кораллы, такие как Duncanopsammia axifuga, под светодиодной оптикой. Эти кораллы какое-то время развиваются вполне нормально и даже немного растут, но потом на их поверхности образуются отмирающие области, перерастающие в медленно развивающийся некроз, и в конечном итоге кораллы умирают. Это происходило из-за слабой интенсивности света на глубине, где собственно и расположены кораллы, отчего вначале отмирали или заболевали отдельные области, а потом болезнь распространялась на весь коралл целиком. Несмотря на то, что некоторые кораллы во время или до упомянутого эффекта демонстрировали определенное развитие.

B. Диапазон цветов «Illumina»

На рис. 8 представлена цветовая модель CIE 1931. Черным показан диапазон цветов «Illumina». Цветовой диапазон был измерен в той же специализированной лаборатории при помощи колориметра «Colormeter LMT C 1210». Во время измерения все белые светодиоды были включены на 100%, тогда как интенсивность света синих и голубых светодиодов менялась с шагом в 25%. При выключенных голубых и синих светодиодах цветовая температура была около 7500 К. При включенных на 100% синих и голубых светодиодах температура достигла 20000 K. При использовании дополнительных модулей цветовой диапазон существенно расширяется.

С. Измерение ФАР

И, наконец, обратим внимание на диаграмму фотосинтетически активного излучения, что является одной из наиболее важных характеристик приборов для аквариумистов. Измерения были произведены с помощью нового квантового датчика «Apogee SQ-110» с мультиметром «Agilent U1252A». На рис. 9 представлены показания, полученные при помощи квантового датчика.

Красная линия представляет собой показания идеального датчика в идеальных условиях.

Рис.8. Цветовая модель CIE 1931 и диапазон цветов «Illumina».

Рис.9. Спектральная характеристика «Apogee SQ-110».

Синяя линия представляет собой показания «SQ-110» в диапазоне синего цвета от 400 до 510 нм. Как уже упоминалось, в «Illumina» 25% синих светодиодов при 450 нм и 25% голубых при 470 нм. В ходе тестирования датчик «SQ-110» измерил 25% световой энергии при 0,8 (450 нм/синий) и 25% при 0,92 (470 нм/голубой), и согласно полученным показаниям голубые светодиоды получили 15%-ое преимущество перед синими. Чтобы сравнить значения ФАР у различных производителей светодиодов, нужно изучить всю совокупность светодиодов и соответствующим образом скорректировать характеристики.

Измерения ФАР производилось в наполненном водой аквариуме размерами 40”х20”х20”. Дно аквариума было поделено на квадраты со стороной в 1”. Датчик располагался точно по центру этих квадратов. Расстояние от датчика до поверхности воды было 19”, а расстояние от поверхности воды до источника света — 6”.

На рисунках 10 и 11 показана диаграмма фотосинтетически активного излучения в мкмоль/м²/сек в трехмерном виде и в изолиниях.

Рис. 10. Диаграмма фотосинтетически активного излучения.

Рис. 11. Диаграмма фотосинтетически активного излучения.

Подытоживая все измерения, мы получаем новую величину, которую назовем совокупным фотосинтетически активным излучением или PAR1. Эта величина представляет собой количество фотонов, рассчитанное в наполненном водой аквариуме на определенной глубине. Поскольку мы проводим измерение в отдельных точках (а именно в квадратах со стороной 1”), то обобщим все измерения в «х» квадратах в направлении х и в «у» квадратах в направлении у:

Другая нужная для расчетов величина — среднее значение ФАР:

И, наконец, максимальное значение ФАР:

В итоге получим коэффициент соотношения максимального и среднего значения ФАР. Этот коэффициент называется пик-фактор и вычисляется следующим образом:

Данный коэффициент показывает равномерность изменения интенсивности ФАР.

В этом испытании использовались четыре светодиодные панели «Illumina», расположенные точно над аквариумом. Максимально значение ФАР (PARp) составило 240 мкмоль/м²/сек, среднее — 200 мкмоль/м²/сек. Таким образом, пик-фактор k равен 1,2, то есть распределение света достаточно равномерное.

D. Введение в ФАР-классы

Доля рынка, отведенная светодиодным светильникам для морских аквариумов, продолжает расти. Практически каждый день появляются новые модели, предлагающие большую светоотдачу и улучшенные характеристики. И поскольку такие светильники могут предложить гораздо больше различных вариантов, чем их галогеновые аналоги, то покупатель легко может запутаться в предлагаемом выборе.

Люди, покупающие галогеновую лампу, к примеру, на 250 Вт/14000 K знают, чего от нее ожидать, на какой глубине и какие кораллы нужно размещать, а также когда наступает время замены. А поскольку светодиодный светильник это новинка по сравнению с галогеновыми лампами, то покупатели опасаются действовать таким же образом. Существует очень много моделей и производителей светодиодных светильников, и аквариумисты просто теряются. Чаще всего для людей это хобби и они не являются экспертами в электронике, не понимают параметры вроде силы тока или эффективности светодиодов, люмены на Ватт и прочее.

Компания «Vertex» позаботилась о логичной классификации своих приборов и объяснила своим клиентам основные характеристики. В результате были придуманы так называемые ФАР-классы. ФАР-классы различаются несколькими основными показателями распределения ФАР под строго определенными условиями испытаний. Взглянув на эти показатели, покупатели легко поймут какие кораллы нужно держать на какой глубине.

Условия испытаний при этом должны быть, как можно более приближены к реальным. Например, нет никакого смысла измерять распределение ФАР в воздухе, поскольку посчитать распределение ФАР в воде большинство клиентов не в состояние.

Поэтому «Vertex» установила следующие параметры измерений:

Размер наполненного водой аквариума составляет 40”x20”x20”. Светильник находится в 6” над поверхностью воды. Температуры воздуха — 25°С, а прибор неподвижен.

Дно аквариума разделено на квадраты размером 40х20, по центру каждого из которых установлен датчик ФАР. Распределение ФАР измеряется на глубине 18” (расстояние до светильника — 24”). Для получения дополнительных данных измерение может также проводиться на глубине 12” и 6”. Четыре основных параметра распределения ФАР приведены в таблице III.

Измерения всегда проводятся с одним и тем же числом светодиодных панелей на одном и том же уровне мощности (например, 160 Вт) вне зависимости от размера прибора. Это очень важно, поскольку размеры аквариума во время испытаний также неизменны.

1	Совокупное значение ФАР	PAR 1	Общее число фотонов, вычисленных на определенной глубине.
2	Среднее значение ФАР	PAR A	Среднее число фотонов, вычисленных на определенной глубине.
3	Максимальное значение ФАР	PAR P	Максимальное значение ФАР.
4	Пик-фактор	k	Коэффициент между PARP/PARA.

Таблица III

Классификационные показатели прибора.

Среднее значение ФАР (PAR A) компания «Vertex» указывает сразу после наименования модели. На рис. 10 значение ФАР равно 200 мкмоль/м²/сек. Значит, этот светильник для морских аквариумов «Illumina» будет называться «Illumina-xx-200». А поскольку нам известен пик-фактор, равный 1,2, то мы можем рассчитать максимальное значение ФАР (PARP), умножив 200 на 1,2 и получив 240 мкмоль/м2/сек. А поскольку значение пик-фактора всего 1,2 покупатель понимает, что распределение света достаточно равномерное.

Для того, чтобы получить все возможные значения ФАР, показания датчика для каждого цвета светодиода, присутствующего в светильнике, необходимо измерять независимо друг от друга, чтобы можно было скорректировать их соответствующим образом. А поскольку всем датчикам свойственны помехи, особенно на синем конце спектра, результаты необходимо регулировать согласно правилам.