УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА МОДУЛЬНОГО РАВНОМЕРНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
DEVICE AND SYSTEM OF MODULAR UNIFORM ILLUMINATION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящая группа изобретений относится к осветительным устройствам, используемым для эффективного равномерного освещения пространства над землей и под водой. В тексте под термином «сборка» имеется в виду ансамбль из нескольких устройств (светодиодов или драйверов светодиодов), расположенных компактной группой на одной плате, согласно условиям, описанным в изобретении.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Современные светодиодные светильники, предназначенные для равномерного освещения, представляют собой конструкции с равномерным расположением источников света, что приводит к появлению горячих точек, особенно под центром таких светильников. Эти горячие точки имеют яркость примерно в полтора раза больше, чем яркость, например, по краям светильника. Такой эффект присущ всем известным в настоящее время светильникам с равномерно распределенными и сходными элементарными излучателями, в том числе содержащим люминесцентные лампы.
[0003] Рисунок 1 иллюстрирует сложность достижения полного спектра видимого света только с помощью RGB светодиодов.
[0004] В настоящее время большинство устройств отображения информации формируют цветное изображение с помощью трех (RGB) каналов. Этот способ формирования с помощью трех каналов (RGB) не позволяет воссоздать некоторые из самых ярких оттенков цвета, т.н. "экстра-спектральные" оттенки: например, определенные оттенки пурпурного цвета. Далее будем называть эти оттенки именно "пурпурными", так как именно этот цвет используется в качестве одного из основных цветовых компонентов, используемых при цветной печати (CMYK). Эти "экстра-спектральные" оттенки, присутствующие в цветной печати, совершенно недоступны при использовании каналов RGB. "Экстра-спектральные" оттенки составляют примерно 20% от общего числа цветовых оттенков, различаемых человеческим глазом. По этой причине диапазон цветовых оттенков, которые могут быть сформированы при помощи RGB, оценивается экспертами как приемлемый, но не идеальный.
[0005] Светильники передовой системы модульного основного равномерного освещения (далее для обозначения этой системы будет использоваться аббревиатура-акроним “BEAMS” от английского Basic Even Advanced Modular System) настоящего изобретения решают ряд инженерных проблем, включая, но не ограничиваясь вышеперечисленными. Светильники, построенные в соответствии с принципами настоящего изобретения, могут быть полезны в различных областях науки, культуры, досуга и промышленности, особенно в сельском хозяйстве, например, в вертикальных теплицах и освещении водоемов. Принципы построения устройств и систем, состоящих из светодиодов в соответствии с настоящим изобретением, описаны далее.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Настоящее изобретение обеспечивает создание систем и устройств светодиодного освещения полного спектра, используемых для освещения пространства над землей или под водой, включая, но не ограничиваясь, аквариумы и теплицы.
[0007] По некоторым особенностям данное изобретение описывает устройство освещения, состоящее из одной или более светодиодных сборок, подключенных к драйверной сборке, управляемой микроконтроллером, получающим команды от микрокомпьютера, где находится интерфейс взаимодействия с пользователем. При этом на упомянутой светодиодной сборке находится как минимум пять типов светодиодов, расположенных плотной группой вокруг центра светодиодной сборки и образующих по меньшей мере пять уникальных каналов управления светодиодами. При этом каждый из светодиодов имеет уникальный спектр по отношению к остальным светодиодам на светодиодной сборке. Упомянутая драйверная сборка содержит как минимум пять драйверов, как минимум по одному на каждый тип/канал управления светодиодами на упомянутой светодиодной сборке. Упомянутый интерфейс передает команды микроконтроллеру для управления пятью или более драйверами на упомянутой драйверной сборке, таким образом обеспечивается контроль за равномерным распределением спектра светильника путем модификации длины и периода света упомянутых по меньшей мере пяти светодиодов или/и силой тока, с использованием технологии гибридного управления яркостью любых упомянутых по меньшей мере пяти светодиодов.
[0008] В некоторых случаях, каждая из указанных одной или более светодиодных сборок состоит из 12 уникальных светодиодов. В некоторых случаях, каждая из указанных одной или более светодиодных сборок состоит из 17 светодиодов.
[0009] В некоторых случаях, устройство дополнительно содержит неизлучающий центр, причем указанный неизлучающий центр имеет ширину от 50 до 200 миллиметров.
[0010] В некоторых случаях, упомянутая светодиодная сборка содержит массив посадочных мест для упомянутых светодиодов, причем каждое посадочное место содержит набор из 3 отдельных сегментов, которые припаяны к соответствующим контактным площадкам светодиодов, причем внешние сегменты содержат силовые контакты для одного из упомянутых по меньшей мере пяти светодиодов, а внутренние сегменты упомянутых 3 разнесенных сегментов являются электрически нейтральными площадками.
[0011] В некоторых случаях, микрокомпьютер содержит операционную систему на ядре Linux.
[0012] В некоторых случаях, интерфейс контроллера обеспечивает модификацию суточного цикла. В некоторых случаях, интерфейс контроллера обеспечивает модификацию длительного цикла.
[0013] В некоторых случаях, интерфейс контроллера предусматривает верхнюю и нижнюю часть. Упомянутая верхняя часть показывает установленный в данный момент спектр в рамках заданного цикла. Упомянутая нижняя часть графически отображает изменение в количестве излучения, излучаемого в промежутке между спектрами, установленными в данном цикле.
[0014] В некоторых случаях, интерфейс контроллера обеспечивает общее значение истинного излучения, указанное общее значение истинного излучения соответствует заданному набору спектров.
[0015] В некоторых случаях, каждая упомянутая светодиодная сборка не имеет перемычек.
[0016] В некоторых случаях, светильник дополнительно содержит плоские силовые кабели, содержащие проводники, имеющие ширину 700 микрон и толщину 100 микрон. По сути, желательно, чтобы указанные проводники имели ширину и толщину, достаточные для обеспечения приемлемых потерь из-за их внутреннего сопротивления.
[0017] В некоторых случаях, интерфейс контроллера обеспечивает общее истинное количество излучения, выраженное в количестве микромолей фотонов, которое является результатом комбинации излучаемых длин волн, созданных в заданном пользователем наборе спектров.
[0018] В некоторых случаях, интерфейс контроллера обеспечивает настройку суточных циклов. В некоторых случаях, интерфейс контроллера обеспечивает настройку длительного цикла, который состоит из одного или нескольких дневных циклов.
[0019] В некоторых случаях, указанное гибридное регулирование яркости включает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и уменьшение постоянного тока (далее будет использоваться общеупотребительная аббревиатура CCR). В некоторых случаях, управление яркостью с помощью ШИМ упомянутого гибридного регулирования происходит только в режимах с околонулевым количеством излучения.
[0020] В некоторых случаях, упомянутые светодиоды формируют окружности на упомянутых светодиодных сборках.
[0021] В некоторых случаях, изобретение также включает в себя настройку локального подключения, которое обеспечивает подключение к светильнику через упомянутый интерфейс контроллера при отсутствии доступа к сети Интернет.
[0022] В некоторых случаях, изобретение представляет собой систему осветительных приборов, состоящую из двух или более светильников в соответствии с первым независимым пунктом формулы. Упомянутые два или более светильников могут быть собраны в иерархическую структуру.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0023] Настоящее изобретение будет более полно понято со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:
[0024] Рис. 1 иллюстрирует сложность достижения полного спектра видимого света только с помощью RGB светодиодов путем сравнения спектра, доступного для определенных светоизлучающих устройств.
[0025] На рис. 2 показан пример того, как в соответствии с настоящим изобретением центральная зона светильника не содержит светодиодов (т.е. центральная зона является неизлучающей зоной).
[0026] На рис. 3 показан мгновенный спектр примера светильника, если яркость каждого из светодиодов установлена с помощью ШИМ.
[0027] Рис. 4 иллюстрирует гибридное регулирование яркости согласно настоящему изобретению.
[0028] Рис. 5 показывает различные варианты осуществления ШИМ (широтно-импульсной модуляции), как поясняется ниже.
[0029] Рис. 6 иллюстрирует на двух примерах, как использование светодиодной сборки известного дизайна, содержащей несколько разнородных кристаллов, покрытых единой первичной линзой, приводит к неприемлемо большому отклонению и разбросу излучения по телесным углам.
[0030] Рис. 7 показывает пример конфигурации светодиодной сборки, предназначенной для использования в морских (т.е. солоноводных) аквариумах.
[0031] Рис. 8 показывает другой пример конфигурации светодиодной сборки, для использования в пресноводных аквариумах.
[0032] Рис. 9 показывает пример вида верхней части интерфейса контроллера в соответствии с настоящим изобретением.
[0033] Рис. 10 показывает пример вида нижней части интерфейса контроллера в соответствии с настоящим изобретением.
[0034] Рис. 11 показывает образец светильника/устройства в соответствии с настоящим изобретением.
[0035] Рис. 12 показывает пример объединенных компактных печатных плат в соответствии с настоящим изобретением.
[0036] Рис. 13 показывает пример конструкция печатной платы в соответствии с настоящим изобретением.
[0037] Рис. 14 показывает предшествующий дизайн светодиодной сборки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ
[0038] Светильники BEAMS, т.е. настоящее изобретение, как оно описано в настоящем документе, решают ряд вопросов, присущих существующим дизайнам. Светильники, построенные по принципам настоящего изобретения, полезны в различных областях науки, культуры, досуга и промышленности, включая сельское хозяйство (например, вертикальные теплицы, водоемы). Принципы построения светильников в соответствии с настоящим изобретением описаны далее.
[0039] Цели изобретения следующие:
[0040] 1. Создание равномерного распределения плотности светового потока на освещаемой плоскости. Решение включает в себя неравномерное расположение источников света, использование рассеивателя и отражателя с ламбертовским паттерном отражения для получения равномерно рассеянного света вдоль целевой плоскости, таким образом создавая равномерное его распределение.
[0041] 2. Создание целевого/желаемого спектра и целевого/желаемого мгновенного излучения. Управление излучением мощных светодиодов достигается в основном без использования ШИМ (широтно-импульсной модуляции).
[0042] 3. Представление светодиодной сборки, как ансамбля схемотехнических решений и светотехнических материалов.
[0043] 4. Представление интерфейса контроллера для программирования дневных и длительных циклов изменения спектров, регулируемых, управляемых и автоматических. Предусмотрены логические элементы управления для управления спектром и количеством излучения. Предоставляется интуитивно понятный и мощный интерфейс контроллера. Контроллер содержит компьютер с операционной системой на ядре Linux, при этом пользователь может управлять указанным компьютером через интерфейс контроллера.
[0044] 5. Каждый светильник (т.е. устройство, осветительная система) состоит из набора компактных источников света (т.е. светодиодных сборок), объединенных в единую цепь и подключенных к соответствующим драйверам, которые, в свою очередь, подключены к микроконтроллеру, который, в свою очередь, подключен к микрокомпьютеру. Количество светодиодных сборок, соединенных в цепь, зависит от количества и типов используемых драйверов. Светильник может содержать одну или несколько указанных связанных цепей светодиодных сборок. Все цепочки управляются синергетически через программное обеспечение (интерфейс контроллера) настоящего изобретения.
[0045] Задача 1. Создание равномерного распределения плотности светового потока на освещаемой плоскости.
[0046] Достижение равномерного распределения плотности светового потока по освещаемой области (то есть освещенной плоскости) имеет большое практическое значение. Такое равномерное распределение необходимо в каждой точке освещаемой плоскости, чтобы успешно избежать ненужных зон с чрезмерной освещенностью (так наз. горячих точек). Например, в освещении теплицы принято измерять освещенность теплицы, исходя из наименее освещенных участков теплицы. Таким образом, все горячие точки считаются зонами избыточного потребления энергии.
[0047] Принципы расположения светодиодных сборок должны быть рассчитаны на основе совокупности пространственного распределения света всех светодиодов на конкретной сборке. Эта задача усложняется диффузным характером отражения отражателя. С помощью спектрофотометров были исследованы результирующие картины распределения, полученные в настоящем изобретении, для подтверждения равномерного распределения света на целевой плоскости. Суммы интенсивностей, измеренных в различных последовательных и непоследовательных точках вдоль целевой поверхности, были эквивалентны с точностью +/- 10 процентов. То есть, Интенсивность 1, в точке 1 на целевой плоскости, равнялась Интенсивности 2, в точке 2 на целевой плоскости, которая также равнялась Интенсивности 3, в точке 3 на целевой плоскости и т.д. (I1 = I2 = I3... с отклонением 10% или менее, во всех таких точках, которые охватывают целевую плоскость).
[0048] Для получения равномерного распределения освещения, достигаемого настоящим изобретением, источники света (т.е. каждая отдельная светодиодная сборка) размещаются на основе их кривой силы света, то есть пространственного распределения плотности светового потока каждого источника света. Предпочтительная схема расположения отдельных светодиодов или плотных светодиодных сборок показана на рис. 2.
[0049] Как показано на рис. 2, центральная зона осветительной конструкции не содержит светодиодов (т.е. центральная зона является зоной, не излучающей свет), в то время как окружающие ее зоны излучают свет. Центральная зона осветительной конструкции, которая также упоминается в настоящем документе как неизлучающий центр, имеет предпочтительную ширину от 50 до 200 миллиметров. Это является одним из примеров "неравномерного" расположения в настоящем изобретении.
[0050] Предпочтительно, чтобы в светильнике или светодиодной сборке использовались светодиоды с широким пространственным распределением излучаемого ими света, а также светодиоды, имеющие одинаковое фокусное расстояние. Такие светодиоды производятся, например, компанией Lumileds в линейке "Luxeon C". Однако, к сожалению, линейка Luxeon C не является предпочтительной в некоторых случаях. Например, светодиоды Luxeon C, имеющие пиковую длину волны около 660 нм, т.е. светодиоды, имеющие пиковую длину волны, необходимую в сельском хозяйстве (например, в теплицах), имеют очень низкую эффективность. Их эффективность почти в 2 раза ниже, чем у светодиодов данного типа, которые производит компания OSRAM. Линейка Luxeon C также имеет только один фиолетовый светодиод, имеющий пиковую длину волны не менее 420 нм. Настоящее изобретение позволяет регулировать истинное излучение светодиодов таким образом, что один и тот же тип светодиодной сборки может использоваться во всем светильнике для достижения разных целей. В противном случае потребовалось бы несколько типов ламп для достижения желаемых настроек для разных целей (например, цветение или увеличение биомассы), как это принято в современных теплицах. Далее, из-за точности, требуемой при размещении светодиодных излучателей таким образом, чтобы они производили равномерное распределение, определение положения каждого светодиодного излучателя осложняется следующим: 1) разные размеры корпусов светодиодов; 2) разное фокусное расстояние первичной оптики; 3) разное количество светодиодов, необходимое для достижения целевого количества излучения каждой части результирующего спектра; и 4) разная ширина пространственного распределения света, излучаемого различными светодиодами. Ввиду этих сложностей точное размещение светодиодных сборок внутри светильника трудно рассчитать. Однако, так как не требуется, чтобы целевая плоскость находилась вблизи светодиодной сборки, а также из-за структуры рефлектора, возможно заметное уменьшение неравномерности спектра. Кроме того, использование рассеивателя с хаотичным смешиванием света также заметно уменьшит результирующие неравномерности спектра. Общие правила размещения светодиодов в соответствии с настоящим изобретением следующие: (1) В качестве зоны размещения светодиодов на каждой светодиодной сборке должна использоваться наименьшая возможная площадь; (2) расстояние от плоскости светодиодного узла до плоскости рассеивателя должно, предпочтительно, быть не менее, чем расстояние между оптическими центрами внешних светодиодов каждой светодиодной сборки; (3) равномерно распределять одинаковые светодиоды по светодиодной сборке таким образом, чтобы все они были равномерно удалены друг от друга; и (4) те светодиодные излучатели, которые имеют более узкое пространственное распределение своего излучения, должны быть установлены вблизи геометрического центра светодиодной сборки. Ввиду точечной природы светодиодов дополнительно полезно не только равномерно распределить освещение по освещаемой плоскости, но и не допускать локальной чрезмерной освещенности (горячих точек) от какой-либо отдельной светодиодной сборки или отдельного светодиода. Высококачественные рассеиватели с высоким светопропусканием на основе ПЭТ пленки (т.е. ПЭТ пленочные рассеиватели) используются для дальнейшей борьбы с горячими точками. Равномерное распределение рассеянного света, достигаемое настоящим изобретением, увеличивает производительность и темпы роста фотосинтетиков до 20 процентов.
[0051] Для получения еще более равномерного распределения излучения, в светильник следует установить отражатель, который имеет паттерн отражения, близкий к ламбертовскому.
[0052] Таким образом, общие правила построения светодиодной сборки согласно настоящему изобретению следующие:
[0053] 1. Все светодиодные сборки в светильниках определенного типа должны быть одинаковыми.
[0054] 2. Каждая сборка светодиодов содержит все светодиоды, необходимые для построения всего ансамбля любых целевых спектров, по меньшей мере, с одним светодиодом на канал управления.
[0055] 3. Если в данном канале управления имеется более одного светодиода, эти светодиоды должны быть размещены на печатной плате по возможности равноудаленно друг от друга.
[0056] 4. Площадь, занимаемая светодиодами на плате, должна быть минимальной. То есть светодиоды следует размещать по возможности как можно плотнее (т. е. ближе к центру платы).
[0057] 5. При проектировании светодиодной сборки следует также учитывать физические параметры лампы, например, тип светодиода и тип материала печатной платы. Максимально возможная плотность светодиодов зависит от теплопроводности корпусов светодиодов и интегральной теплопроводности печатной платы светодиодной сборки. Чем выше теплопроводность компонентов, составляющих светодиодную сборку, тем более плотно светодиоды могут быть установлены на светодиодной сборке. Примеры существующих вариантов показаны на рис. 7 и 8. Площадь, занимаемая непосредственно светодиодами на обеих платах, имеет диаметр 11 миллиметров. Для варианта реализации, показанного на рис. 13, этот диаметр составляет 22 миллиметра. Примерные размеры приведены только для иллюстративных целей и не ограничивают объем настоящего изобретения. В общем, чем плотнее светодиодная сборка, тем лучше, если не учитывать ограничивающие физические факторы, описанные здесь.
[0058] Дополнительные правила проектирования светодиодных светильников, в которых используются светодиодные сборки в соответствии с настоящим изобретением, включают следующее:
[0059] 1. Геометрические центры светодиодных сборок в светильнике должны располагаться на прямой линии, при этом указанная прямая линия является осевой линией от центра светильника к его краю.
[0060] 2. Для получения равномерного распределения излучения по освещаемой поверхности требуется неравномерное расположение светодиодных сборок.
[0061] 3. Наибольшее расстояние между соседними светодиодными сборками - это расстояние между центральными светодиодными сборками светильника, а кратчайшее расстояние между соседними светодиодными сборками - это расстояние между периферийными сборками светильника, при этом расстояние между сборками светодиодов уменьшается при приближении к любому концу светильника. Наименьшее расстояние будет между последней парой светодиодных сборок на каждом конце светильника.
[0062] 4. Чем больше среднее расстояние между сборками светодиодов, тем дальше будет расположена целевая плоскость, где будет достигнута упомянутая однородность плотности излучения. Расстояние между светильником и целевой плоскостью в большинстве случаев должно быть не менее максимального расстояния между соседними светодиодными сборками лампы.
[0063] В дополнение к вышесказанному, светильник в соответствии с настоящим изобретением, который может состоять из нескольких светодиодных сборок, должен также включать в себя грамотно спроектированную оптическую систему, включающую в себя отражатель с ламбертовым (т.е. диффузным) паттерном отражения, а также рассеиватель, имеющий также диффузный паттерн рассеяния.
[0064] Задача 2. Создание целевого/желаемого спектра и мгновенной яркости.
[0065] Целевой спектр формируется с помощью многоканальных светодиодных светильников, в которых для каждого отдельного канала светодиода может быть установлена определенная яркость для достижения желаемого результата. При использовании мощных светодиодов обычно используется ШИМ; однако ШИМ не обеспечивает надлежащего спектра. Рис. 3 рассматривает мгновенный спектр примера светильника, если яркость каждого из каналов светодиодов установлена с помощью ШИМ.
[0066] На рис. 3 высота каждой полоски указывает продолжительность включения этого конкретного канала светодиодов во время данного ШИМ-цикла. При этом мгновенный спектр всего светильника будет изменяться с течением времени. На рис. 3, в момент, обозначенный линией 1, все типы каналов светодиодов участвуют в формировании спектра, излучаемого светильником. В момент, обозначенный линией 2, в формировании спектра светильника участвуют шесть типов светодиодов. В момент, обозначенный линией 3, задействованы четыре типа светодиодов. В момент времени, обозначенный линией 4, задействован только один тип светодиодов. Хотя может показаться, что на линии 1 получается желаемый спектр, это не так. В тот момент работают все 7 типов каналов светодиодов, но все они излучают полную мощность. Однако для того, чтобы получить желаемый спектр, каналы также должны излучать с определенной силой/мощностью, как это предусмотрено и указано под каждой из полосок, соответствующих каждому типу каналов светодиода. По этой причине светильник, использующий ШИМ-управление своими светодиодами, никогда не сможет обеспечить тот спектр, который указывает пользователь. Единственным исключением являются особые случаи, когда каждый канал светодиодов должен излучать на полную мощность или на нулевую мощность. Настоящее изобретение позволяет светильнику производить как необходимый спектр, так и необходимую яркость в каждый момент использования светильника.
[0067] Для управления светильниками, построенными в соответствии с настоящим изобретением, используется гибридное управление яркостью. Оно иллюстрируется диаграммой, показанной на рис. 4, и включает как ШИМ, так и CCR (снижение постоянного тока) для управления каждым каналом светодиодов. За исключением излучения, близкого к минимальному току, рекомендованному производителями светодиодов, для регулирования яркости используется CCR. Отклонение от точного значения тока зависит от точности установки тока конкретным типом интегральной схемы драйвера. Обычно это отклонение составляет около 5% от заданного тока. Также обычно производители светодиодов указывают минимальный ток в 10% от максимального тока светодиода. Если, например, максимальный ток в канале светодиодов составляет 1000 мА, то минимальный ток, который должен быть обеспечен CCR, должен быть равен 100 + (0,05*100) = 105 мА. Для количества излучения, для получения которых нужен ток ниже указанного минимального тока, рекомендуемого производителями светодиодов, вместо CCR используется ШИМ. Необходимое программирование осуществляется аппаратно-программным комплексом изобретения.
[0068] Производители светодиодов не гарантируют постоянство спектров, излучаемых светодиодами, при низких значениях тока, обычно менее 10% от максимального тока для данного типа светодиодов. Например, для мощных светодиодов компании OSRAM указывается минимальный ток 10%. Система питания светодиодов данного изобретения снижает уровень аналогового тока через CCR (т.е. без использования ШИМ) до минимально допустимого значения, предложенного производителем используемого светодиода. Только после достижения минимально допустимого значения настоящее изобретение начинает производить уменьшение среднего тока с помощью ШИМ. На практике такое гибридное управление яркостью практически позволяет формировать любые желаемые спектры без использования ШИМ. Светильник использует ШИМ только на начальных стадиях дневного цикла, требующих имитацию рассвета, и на заключительных стадиях, требующих имитацию заката. В таких случаях интенсивность света слишком мала, чтобы быть ценной для активных, т.е. полезных или практичных, фотосинтетических процессов, и поэтому ШИМ можно использовать в такие периоды, незначительно влияя на желаемые фотосинтетические процессы, которые обеспечивают желаемый результат.
[0069] Отсутствие ШИМ-регулирования, требуемого настоящим изобретением, посредством гибридного управления яркостью, также обеспечивает точную мгновенную яркость, а не среднюю яркость, как это было бы сделано в случае управления яркостью путем ШИМ. Рассмотрим мгновенную яркость светильника в случае использования ШИМ. Для регулировки количества излучения, каждый канал светодиодов излучает короткие вспышки различной продолжительности, которые происходят на достаточно высокой частоте, чтобы вспышки слились для человеческого глаза, в результате чего получается кажущийся непрерывным свет, имеющий определенную яркость. Это показано на рис. 5.
[0070] На рис. 5 в заштрихованных областях отображается время, в течение которого на светодиод подается ток. Отображены три конкретных случая настройки яркости. 25% яркости получается при прохождении тока через светодиод 25% времени, а 75% времени - ток отсутствует. 50% яркость возникает при равенстве времени подачи тока и времени его отсутствия. 75% яркость получается при подаче тока на светодиод 75% времени.
[0071] Низкая частота повторения коротких вспышек (т.е. низкие частоты ШИМ) приводит к появлению мерцания, заметного для человеческого глаза. Многие люди могут буквально видеть это мерцание, что приводит к неприятным ощущениям. Кроме того, мерцание светодиодов при регулировке яркости ШИМ может привести к появлению полосок, видимых на видео. Более того, даже высокие частоты ШИМ, например, 1500 Гц, близкие к пределу для многих ШИМ-контроллеров массового производства, также представляют собой проблему в том, что они приводят к значительному снижению эффективности усвоения света во время процесса фотосинтеза.
[0072] Кроме того, аспекты управления спектром для теплиц по сравнению с аспектами управления спектром для аквариумов, а также с аспектами для других приложений настоящего изобретения, включают отдельные критерии и протоколы. В теплицах цель излучаемого спектра - обеспечить такие режимы освещения, которые увеличивают фотосинтез и, следовательно, более активно увеличивают биомассу, либо активное цветение или плодоношение. Такая система освещения может увеличить накопление в растениях ароматических, питательных веществ и витаминов. Визуальная привлекательность теплицы, в отличие от аквариумов, относительно не важна по сравнению с важностью окружающей среды в обеспечении оптимальной условий для фотосинтеза.
[0073] Задача аквариумного светильника в соответствии с настоящим изобретением заключается в создании наилучшего визуального впечатления для владельца аквариума и обращении к личным спектральным предпочтениям владельца аквариума, одновременно обеспечивая равномерно распределенную интенсивность спектра, достаточную/оптимальную для фотосинтетических процессов, необходимых фотосинтезирующим организмам в аквариуме. Типичные спектры для морских аквариумов содержат преобладающее количество коротковолнового излучения, необходимое кораллам для нормального роста и окрашивания. Типичные спектры для пресноводных аквариумов более близки к солнечному спектру. Спектры для обоих типов аквариумов рассматриваются ниже более подробно.
[0074] Другие области применения настоящего изобретения включают, в частности, формирование необходимых спектров и их истинное излучение для фотографов, видеохудожников, а также для циркадных ритмов человека или животных, для активации и/или ослабления процессов, связанных с циркадными ритмами, которые могут быть востребованы в животноводстве или индустрии спорта. Каждое из этих приложений включает отдельные критерии и протоколы. Все они, какими бы сложными ни были, могут быть успешно воспроизведены светильниками, сконструированными с использованием описанных в данном изобретении принципов.
[0075] Интерфейс контроллера в соответствии с настоящим изобретением, как более подробно описано ниже, позволяет пользователю светильника явно управлять количеством излучения, не требуя от пользователя визуального определения результирующего спектра освещения, а также, не требуя от пользователя понимания, как программировать каждый отдельный канал светодиодов для достижения желаемого результата. Основной сценарий использования интерфейса контроллера пользователем заключается в выборе спектра, настроенного по его вкусу, а также установке количества истинного излучения, излучаемого цепочкой светодиодных сборок. Эту задачу облегчает специально разработанная и постоянно обновляемая экспертная система, которая помогает пользователю разрабатывать циклы освещения на основе растущего набора экспертных данных, относящихся к управлению светильниками с помощью программного обеспечения данного изобретения.
[0076] Если нет требования о получении равномерного освещения на целевой плоскости, то можно использовать одну светодиодную сборку, светильник становится источником света для малой площади, аналогичный прожектору.
[0077] Задача 3. Создание светодиодной сборки, представляющей собой ансамбль схемотехнических решений и материалов.
[0078] Для получения идентичного и равномерно распределенного спектра по всей освещаемой площади необходимо использовать источники света, каждых из которых включает в себя все светодиоды, участвующие в формировании желаемого спектра. Каждая светодиодная сборка, которая формирует световую систему, должна быть идентична всем светодиодным сборкам, формирующим эту систему. Набор светодиодов выбирается в соответствии с желаемым спектром и требуемой точностью для формирования целевых спектров. В этом случае, чем меньше расстояние между светодиодами, тем меньше градиент спектра будет на освещаемой плоскости. Использование существующей оптики, например, единой линзы первичной оптики для всего светодиодного блока, состоящего из нескольких разнородных кристаллов, приводит к недопустимо большому распространению излучения в различных телесных углах, как показано на рис. 6. Такой недопустимо большой разброс не происходит от систем освещения настоящего изобретения по причинам, рассмотренным в настоящем документе.
[0079] Кроме того, каждая светодиодная сборка должна содержать светодиоды с одинаковыми фокусными расстояниями. Если фокусные расстояния разные, то возникают аналогичные описанным выше неприемлемые результаты.
[0080] Предпочтительно первичная оптика светодиодных излучателей должна распределять излучение под максимально широким углом для формирования оптимального смешивания света. Предпочтительно использовать светодиоды линейки Lumileds LUXEON C Color.
[0081] Слишком плотное расположение светодиодов приводит к резкому увеличению плотности теплового потока в области на площади светодиодной сборки. Обычно проблема отвода тепла от плотных светодиодных сборок решается установкой светодиодов на керамические платы. Керамические платы дорогие, и, кроме того, и приводят к проблемам при установке таких плат в светильники из-за их хрупкости. Поэтому в данном изобретении предлагается предпочтительно использовать некерамические платы, например, материал Polytronics TCB-C (т.е. изолированную металлическую подложку/теплопроводящую плату, далее - специальная металлическая плата) для каждой из светодиодных сборок. Специальные металлические платы такого типа имеют теплопроводность более 50% от теплопроводности керамики из оксида алюминия, что является достаточным для обеспечения комфортного температурного режима светодиодов в таких плотных сборках, которые обычно требуются на практике. Другим воплощением настоящего изобретения являются светодиодные сборки, установленные на керамических платах, состоящих из нитрида алюминия (AlN).
[0082] На рисунке 7 показан пример конфигурации светодиодной сборки - образец светодиодной сборки для использования в светильниках, предназначенных к использованию в морских (т.е.  солоноводных) аквариумах. На рисунке 8 показан еще один пример конфигурации светодиодной сборки, предназначенной для использования в светильниках для пресноводных аквариумов. Оба образца светодиодных сборок изготавливаются на металлических платах с высокой теплопроводностью, например, в данном случае 12 Вт/мК. Примеры светодиодных сборок, показанные на рис. 7 и 8, имеют одинаковые размеры 30 мм х 40 мм, но состоят из различных комплектов светодиодов, каждый из которых формирует свой канал управления.
[0083] Одним из существенных различий между морскими и пресноводными аквариумными светодиодными сборками является то, что части спектра, наиболее востребованные для таких различных типов аквариумов, значительно отличаются друг от друга. Поскольку большинство кораллов живут на больших глубинах, где солнечный спектр фильтруется соленой водой, и где количество длинноволновой части спектра, таким образом, уменьшается, кораллы адаптировались к этому виду спектра. Поэтому для морских аквариумов наиболее широко представленной частью идеального спектра является синий, поэтому в светодиодных сборках для морского аквариума самый мощный светодиод, который может излучать до трети излучения относительно полного максимального излучения всей светодиодного сборки, должен быть синего цвета, т.е. один или несколько светодиодных излучателей, имеющих пиковую длину волны около 450 нм. Для пресноводных аквариумов наиболее широко представленной частью идеального спектра является широкая средневолновая часть, которая, с точки зрения человеческого зрения, является белым светом. Поэтому в светодиодных сборках для пресноводных аквариумов наиболее мощным светодиодом, который может излучать до трети излучения относительно полного максимального излучения всей светодиодного сборки, является светодиод, имеющий широкую преобладающую часть спектра около 555 нм - т.е. в области максимальной чувствительности человеческого глаза. Цвет таких светодиодов обычно соответствует названию "Лайм" или "Минт". Учитывая высокую стоимость таких светодиодов, а также для снижения стоимости светодиодных сборок настоящего изобретения, допустимо использовать вместо них "холодные белые" светодиоды. В случае теплиц светодиодные сборки должны содержать 660 нм светодиоды (излучение которых имеет наибольшую эффективность для большинства наземных растений), которые могут испускать до трети излучения относительно полного максимального излучения всей светодиодного сборки. Таким образом, светодиодные сборки для каждого соответствующего типа окружающей среды и/или задачи будут состоять из различных комплектов светодиодов, основанных на желаемом спектре или на принципах идеального спектра, как показано в данном примере. Любые дополнительные желаемые эффекты осветительной системы могут быть учтены также строением светодиодной сборки и программированием интерфейса контроллера.
[0084] Каждая световая система согласно настоящему изобретению содержит полный набор светодиодных сборок, каждая светодиодная сборка идентична любой другой светодиодной сборке в наборе, каждая светодиодная сборка содержит светодиоды, которые формируют каналы, необходимые для формирования целевых спектров излучения, отдельные светодиоды на светодиодном блоке устанавливаются как можно ближе друг к другу. В примерах на рис. 7 и 8 показана конфигурация каналов светодиодов, установленных по кругу на металлической плате. Набор светодиодов выбирается не только по желаемой длине волны, но и по требуемому количеству истинного излучения. То есть светодиоды, обеспечивающие те части желаемого спектра, которые будут представлены больше, должны устанавливаться в большем количестве и составлять больший процент от комплекта.
[0085] Настоящее изобретение включает в себя световые системы/устройства, содержащие набор светодиодных сборок, каждая светодиодная сборка содержит по меньшей мере пять разных светодиодов, каждый из которых излучает свет с разным спектром (например, L1, L2, L3, L4, L5 и т. д.).
[0086] Диапазон длин волн имеющихся в продаже светодиодов, имеющих выходную мощность одиночного светодиода по меньшей мере 5 мВт, составляет от 360 нм до 950 нм. Каждый диапазон длин волн может быть получен из определенного семейства полупроводниковых материалов. Например, светодиоды, излучающие ультрафиолетовое излучение в промежутке длин волн 240-360 нм, основаны на GaN/AlGaN. Светодиоды, излучающие в промежутке 395-530 нм, то есть от УФ до зеленого цвета, основаны на InGaN. Светодиоды, излучающие от желто-зеленого до красного, то есть в промежутке длин волн 565-645 нм основаны на AlInP. Светодиоды от темно-красного до ближнего ИК-диапазона, излучающие в промежутке длин волн волн 660-950 нм, основаны на AlGaAs и GaAs.
[0087] Принципы формирования набора светодиодов в зависимости от конкретных желаемых спектров можно проиллюстрировать на следующем примере. Вариант дизайна системы освещения содержит 6 светодиодных сборок, каждая из упомянутых 6 светодиодных сборок содержит 12 разновидностей (то есть каналов) светодиодов, причем каждая светодиодная сборка имеет общее количество 17 установленных светодиодов. Каждая из светодиодных сборок имеет физические размеры 40 мм x 60 мм.
[0088] В таблице ниже (Таблица 1) показаны примеры наборов светодиодов на светодиодных сборках, которые разработаны для различных сред, применений и желаемых результатов, например, морские аквариумы, пресноводные аквариумы и теплицы. Четвертый столбец в таблице 1 соответствует светильникам для морского аквариума, пятый столбец соответствует светильникам для пресноводного аквариума, а шестой столбец соответствует светильникам для теплиц. Все три сборки используют идентичные типы (то есть каналы) светодиодов, однако количество светодиодов, соответствующих каждому каналу управления, варьируется в зависимости от желаемого результата для каждого применения. Например, поскольку светодиод зеленого типа имеет самую низкую эффективность преобразования электрической энергии в свет, его предпочтительно полностью исключить из светодиодных сборок, предназначенных для теплиц. На светодиодные сборки могут быть установлены наборы светодиодов, как указано в таблице 1, процент излучения для каждого канала может быть указан пользователем через интерфейс контроллера, а предварительная визуализация с высокой точностью результирующего спектра, который будет производить светильник(-и), будет предоставляться пользователю также через интерфейс контроллера. Кроме того, следует отметить, что через интерфейс контроллера пользователю необходимо настроить только один ползунок независимо от количества фактических светодиодов, установленных на данной светодиодной сборке данной системы освещения. Программное обеспечение системы способно преобразовывать установки ползунков в набор компьютерных инструкций, которые управляют изменениями через контроллер и/или микрокомпьютер.
[0089] Таблица 1. Различные наборы светодиодов на светодиодных сборках в зависимости от различных применений.
канал #
Пиковая/доминирующая* длина волны, нм
Видимый цвет
Кол-во морская
Кол-во пресновод.
Кол-во тепличная
1
380-390
Темно-фиолетовый, почти УФ
1
1
1
2
400-410
Фиолетовый
1
1
1
3
420-430
Светло-фиолетовый
1
1
1
4
440-445
Темно-синий
2
1
2
5
455-460
Синий
2
1
1
6
475-480*
Голубой
3
1
1
7
495-500*
Бирюзовый
2
2
1
8
520-525*
Зеленый
1
1
0
9
Около 550 (широкий спектр)
Мята
1
5
1
10
Около 595 (широкий спектр)
PC Amber
1
1
1
11
630-635*
Красный
1
1
2
12
655-665
Рубиновый
1
1
5
Общее количество светодиодов на светодиодной сборке
17
17
17
[0090] Приведем пример построения различных спектров с использованием вышеуказанного набора светодиодов для теплиц (т.е. из таблицы 1) для лучшего понимания преимуществ управляемого спектра, изменяемого в зависимости от типа задачи. Рассмотрим систему освещения для вертикальных теплиц, которая использует на один квадратный метр поверхности 4 светильника, каждый светильник состоит из 8 светодиодных сборок. В этом случае можно получить плотность излучения не менее 800 мкмоль/м2 PPFD как для спектров с преобладанием длинноволнового излучения, так и для коротковолнового излучения. Указанные спектры имеют существенно различающуюся физиологическую активность, и из-за этой разницы в практике растениеводства для решения этой проблемы обычно используют два набора светильников. Настоящее изобретение предлагает решение, позволяющее формировать не только эти два указанных спектра, но и многие другие, что позволяет пользователям получать дополнительные специфические ответы от растений в теплицах. Кроме того, настоящее изобретение позволяет пользователям разрабатывать долгосрочные циклы освещения для всего вегетационного периода растения. Во время таких долгосрочных циклов освещения каждый день длительного цикла освещения может содержать уникальный суточный цикл освещения, устанавливаемый пользователем через интерфейс контроллера. Исследования эффектов изменяющихся спектров, а также длительных циклов освещения также могут быть улучшены с помощью настоящего изобретения.
[0091] Важно отметить, что как длинноволновые, так и коротковолновые спектры используют все части спектра, входящие в промежуток фотосинтетически активного излучения (ФАР), поскольку только активация всего ансамбля светособирающих комплексов растений позволяет светильникам для теплиц достигать максимальной эффективности. Поскольку светильники используются для различных организмов и желаемых результатов, настоящее изобретение позволяет настраивать излучение светодиодных сборок через интерфейс контроллера, как описано ниже.
[0092] Независимо от результирующего спектра, обеспечиваемого светильниками, каждая светодиодная сборка состоит из печатной платы, аналогичной той, которая показана на рис. 13. С левого и правого торцов печатной платы расположены разъемы, предназначенные для подключения плоских силовых кабелей. В круглых площадках расположены отверстия для винтов, которые крепят светодиодный блок к радиатору. Горизонтальные линии печатной платы представляют собой силовые проводники для отдельных светодиодов. Места, представленные вертикальными, близко расположенными тремя короткими сегментами, представляют собой посадочные места для размещения различных светодиодов. Внешние сегменты этих посадочных мест представляют собой контакты питания для светодиодов. Средний/внутренний сегменты каждого посадочного места представляют собой места для электрически нейтральных контактов, которые припаиваются к указанному среднему/внутреннему сегменту на подошве светодиода, и располагаются непосредственно под кристаллом светодиода. Благодаря такой конструкции, большая часть тепловой энергии, создаваемой светодиодом, передается на плату, а не в окружающий воздух.
[0093] Такая конструкция печатной платы и светодиодов позволяет формировать светодиодную плату без необходимости использования каких-либо перемычек (т.е. каждая светодиодная сборка не содержит перемычек). Сравните конструкцию без перемычек настоящего изобретения, с предшествующей конструкцией светодиодной сборки на 14 светодиодах, показанную на рис. 14.
[0094] Как видно на рис. 14, на плате установлено большое количество перемычек, которые несут следующий неисключительный перечень потенциальных проблем: (1) Снижение качества формирования желаемого спектра, снижение надежности устройства и увеличение стоимости изготовления за счет большего количества точек пайки и дополнительных компонентов; (2) Снижение количества общего излучения, испускаемого каждой светодиодной сборкой, за счет того, что перемычки имеют черный цвет; (3) Ухудшение эстетичности внешнего вида за счет перемычек.
[0095] В образце настоящего изобретения, имеющем 17 светодиодов, как и в других вариантах, светодиодные сборки состоят из печатных плат, содержащих прямые и обратные проводники питания (двунаправленные проводники). Поэтому требуется только один плоский силовой кабель, соединяющий одну светодиодную сборку со следующей, во всем светодиодном светильнике.
[0096] Толщина медного слоя печатной платы составляет около 70 микрон. Поэтому ширина медных дорожек максимально увеличена, чтобы минимизировать потери, вызванные сопротивлением в проводниках. Проектировщики существующих решений не всегда уделяют должное внимание этому фактору. В светильниках настоящего изобретения используются проводники шириной 700 мкм и толщиной 100 мкм внутри плоских силовых кабелей. При таких размерах проводников в плоских силовых кабелях оправдано использование проводников на светодиодных печатных платах, большинство из которых имеют ширину около 600 мкм.
[0097] На практике потери, вызванные сопротивлением проводников даже в таких относительно толстых проводниках, не являются незначительными. Например, рассмотрим светильник длиной 120 см, состоящий из 10 таких плоских кабелей с установленными относительно толстыми медными проводниками. Максимальное потребление светильника составит около 500 Вт. В этом случае общие потери в проводниках составят около 20 Вт. Это составляет около 4 % от потребляемой мощности, что сопоставимо с потерями в драйверах светодиодов.
[0098] Задача 4. Предоставление интерфейса контроллера для программирования суточных и длительных циклов различных спектров, настраиваемых, управляемых и автоматизируемых.
[0099] Световой спектр используется как основная логическая единица в интерфейсе контроллера. Пользователь может сформировать необходимый спектр/спектры, указав определенные длины волн (то есть каналы светодиодов), установив истинное количество излучения каждой из указанных конкретных длин волн с помощью ползунков для каждого из указанных каналов светодиодов и управляя результирующими спектрами в реальном времени, а также в течение промежутка времени, согласно предложенному графику спектра, предоставленному интерфейсом контроллера, или целевому спектру, определяемому иным образом на основе типа освещаемого объекта или освещаемой области. Персональные спектральные предпочтения также могут варьироваться и зависеть от эмоционального и физического состояния пользователя. Таким образом, воздействуя на эмоциональное и/или физическое состояние пользователя, настоящее изобретение обеспечивает терапевтические, лечебные и индивидуально настраиваемые эффекты. Рис. 9 показывает пример верхней части интерфейса контроллера согласно настоящему изобретению. После того, как необходимый спектр сформирован с помощью ползунков, пользователь может сохранить его в галерее спектров и перейти к формированию суточного цикла освещения путем взаимодействия с нижней частью интерфейса (нижняя часть интерфейса показана на рис. 10).
[00100] В нижней части интерфейса контроллера (т.е. рис. 10) каждая точка соответствует заранее определенному спектру, установленному с помощью ползунков в верхней части интерфейса. Высота точки на дневном графике, показанном на рис. 10, - это количество полного истинного излучения, обеспечиваемого данным спектром, отображаемым этой точкой. После графического изображения наборов уровней излучения (т.е. спектров) суточного цикла пользователь может сохранить его в галерее суточных циклов. Длительные циклы освещения могут быть сформированы, например, путем сочетания нескольких дневных циклов. При графическом изображении длительных циклов каждая точка представляет собой весь суточный цикл, при этом указанный суточный цикл включает несколько из указанных заранее определенных спектров в пределах этого суточного цикла. При этом, высота каждой точки на графике длительного цикла определяется количеством истинного излучения, испускаемого за данный суточный цикл.
[00101] Микрокомпьютер, контроллер и интерфейс контроллера настоящего изобретения представляют собой уникально разработанную программно-аппаратную систему. Эта система предоставляет пользователю полный контроль над спектром и интенсивностью света через любое соединение WiFi. Контроллер и интерфейс контроллера обеспечивают адекватное питание и наилучший внешний вид фотосинтезирующих организмов под светом светильника. Согласно настоящему изобретению, контроллер установлен в каждом светильнике.
[00102] Контроллер позволяет контролировать истинное количество излучения (т.е. истинное излучение), которое фотосинтезирующие организмы получают от источника света. Экспертная система также помогает пользователям выбрать правильное количество светильников и светодиодных сборок, предоставляя экспертные предложения на основе постоянно обновляемой базы данных, в которой также хранятся ранее записанные программы освещения и сопутствующая информация.
[00103] С помощью интерфейса контроллера можно с высокой степенью точности контролировать количество излучения в общепринятых единицах, таких как микромоли фотонов в секунду. Микрокомпьютер, установленный в каждом светильнике, решает эту задачу.
[00104] Контроллер включает в себя стандартную точку доступа WiFi, к которой можно подключиться с любого устройства, имеющего WiFi подключение и интернет-браузер. Контроллер, установленный локально в светильнике, позволяет локальному устройству подключаться непосредственно к светильнику без необходимости подключения к Интернету. После того, как контроллер локального светильника подключен к внешнему локальному роутеру, становится возможным управление данным светильником (или группой светильников, если к внешнему роутеру подключен светильник, контроллер которого имеет роль ведущего в группе светильников) через Интернет. То есть управление светильниками возможно как через локальное соединение, так и, в случае необходимости, удаленное управление через Интернет. К интерфейсу контроллера можно подключаться любым устройством, имеющим беспроводной интерфейс WiFi и Интернет-браузер. Например, но не ограничиваясь: компьютером, планшетом, смартфоном, умным телевизором и так далее.
[00105] Интерфейс контроллера сообщает пользователю, устанавливающему спектр, количество излучения как в относительных единицах - процентах от максимально возможного количества излучения, или в абсолютных - микромолях фотонов. Эта информация, отображаемая над графиком спектра, является основополагающим критерием, на котором основан контроллер. Это связано с тем, что одна из главных задач, решаемых светильником, - обеспечение наилучшего питания различных типов фотосинтезирующих организмов. Эти организмы для полноценного питания нуждаются в излучении всего промежутка фотосинтетически активного излучения (ФАР), значительная часть которого плохо видна человеческому глазу. Поскольку человеческий глаз хорошо видит только желто-зеленую часть спектра, пользователь буквально не может видеть свет, который, например, необходим кораллам для процветания. Для кораллов требуется значительное преобладание коротковолновой части спектра, почти невидимой для человеческого глаза. Таким образом, пользователи предшествующих нашему изобретению светильников были вынуждены выдвигать гипотезы о количестве излучения светильников, потому что они вынуждены были определять то, что они не могут физически видеть. Интерфейс контроллера и контроллер по настоящему изобретению обеспечивают решение этой проблемы.
[00106] Логика контроллера и интерфейса контроллера обеспечивает чрезвычайно простой интерфейс с многоступенчатой защитой от ошибок пользователя. Первая ступень защиты от ошибок при создании спектра - показать пользователю, сколько истинного излучения производит каждый созданный спектр. Как обсуждалось выше, количество истинного излучения и видимая яркость светильника - совершенно не связанные величины. Это происходит вследствие узкого диапазона хорошей светочувствительности человеческого глаза.
[00107] Следующие рекомендации представлены в качестве примеров для различных типов условий освещения:
[00108] Рекомендации по формированию спектров для морских коралловых организмов.
[00109] Для получения хорошего окрашивания и роста кораллов в первую очередь необходимо обеспечить необходимое количество истинного излучения. Адекватное количество излучения важнее, чем любой вариант спектра.
[00110] При обеспечении надлежащего количества истинного излучения отсутствуют спектры, которые не обеспечивали бы хороший рост кораллов. Кроме того, не существует спектра, в котором кораллы хорошо растут, но не растут нежелательные водоросли. Все настройки спектра делаются в первую очередь для владельца аквариума, чтобы обеспечить наилучшее восприятие аквариума, и во вторую очередь для освещения обитающих в нем кораллов. Цвет и внешний вид кораллов зависят прежде всего от условий окружающей среды (в первую очередь - качества воды и правильного баланса всех питательных веществ и микроэлементов), в которой они живут. Если условия не оптимальны, даже лучший спектр не даст идеальных результатов.
[00111] Важно отметить, что, если в прошлом аквариум получал небольшое истинное излучение, увеличение истинного излучения следует проводить постепенно, предпочтительно не более чем на 5% в день. Надлежащее количество излучения достигается, когда интерфейс контроллера показывает значение общей излучаемой мощности, аналогичное рекомендованному экспертной системой. Дополнительное истинное излучение сверх рекомендаций следует использовать только в том случае, если пользователь полностью понимает, какие еще условия должны поддерживаться в морском аквариуме при использовании количества истинного излучения, превышающего рекомендованное. Возможности экспертной системы, в том числе в части адаптационных режимов, постоянно обновляются для наилучшего выполнения задач пользователей.
[00112] Следующие правила демонстрируют логику построения спектров для морских аквариумов с кораллами:
[00113] Правило 1. Продолжительность светового дня должна составлять приблизительно 10 часов, при этом истинное излучение должно быть в количестве, указанном экспертной системой. Рассвет и закат должны иметь длительность один, максимум два часа. В любом случае общая продолжительность светлого времени суток не должна превышать 14 часов.
[00114] Правило 2. Убедитесь, что в диапазоне от 400 до 500 нм излучается достаточное количество коротковолнового излучения. Коротковолновое излучение состоит из фиолетового, синего, голубого и бирюзового каналов, показанных в интерфейсе контроллера. Этими каналами должно набираться не менее 2/3 и не более 9/10 излучения любого спектра, установленного для аквариума с морскими кораллами. Например, если общая излучаемая мощность всего спектра составляет 40%, эти четыре канала в целом должны испускать не менее 25% и не более 36% истинного излучения всего спектра.
[00115] Правило 3. При использовании количества истинного излучения, которое близко к предельному, предложенному экспертной системой, также необходимо использовать значительное количество излучения из средневолновой и длинноволновой частей спектра. Средневолновые части спектра (т. е. от бирюзового до желтого) должны обеспечивать не менее 10% от общего истинного излучения (общая излучаемая мощность). Длинноволновые части спектра (т.е. от оранжевого до красного) должны обеспечивать не менее 3% от общего истинного излучения. Например, если общая излучаемая мощность составляет 70%, средневолновые части спектра должны быть представлены в количестве не менее 7%, а длинноволновые части должны быть представлены в количестве не менее чем 2,1% от общего количества.
[00116] Правило 4. Голубой канал может обеспечивать любое количество излучения, какой желает пользователь для любого коралла. Количество излучения синего канала должно быть представлено в зависимости от того, какие кораллы присутствуют и какой свет они получали ранее. Например, для мелководных кораллов и тех, которые содержались под системой освещения, содержащей небольшое количество синего, необходимо постепенно адаптировать освещение при переходе на новый спектр, содержащий большое количество синего. Фиолетовый канал по свойствам похож синий, но требует еще более пристального внимания, особенно в том случае, если в аквариуме преобладают так называемые мягкие и LPS кораллы. Чем больше коротковолнового излучения, т.е. чем больше синего, и, особенно, фиолетового излучения в спектре, тем выше вероятность того, что кораллы, которые способны вырабатывать хромопротеины, необходимые для ассимиляции этого излучения, будут производить такие хромопротеины в больших количествах. Следовательно, чем больше фиолетовый цвет, тем больше вероятность того, что коралл, который сможет адаптироваться к этому спектру, станет ярче. Любые изменения всегда должны выполняться постепенно с использованием возможностей контроллера.
[00117] Рекомендации по формированию спектра для пресноводных аквариумов.
[00118] Для достижения хорошего роста и окраски растений они требуют, прежде всего, надлежащего количества истинного излучения.
[00119] Важно отметить, что, если в прошлом аквариум получал небольшое истинное излучение, увеличение истинного излучения следует проводить постепенно, предпочтительно не более чем на 5% в день. Надлежащее количество излучения достигается, когда интерфейс контроллера показывает значение общей излучаемой мощности, аналогичное рекомендованному экспертной системой. Дополнительное истинное излучение сверх рекомендаций следует использовать только в том случае, если пользователь полностью понимает, какие еще условия должны поддерживаться в морском аквариуме при использовании количества истинного излучения, превышающего рекомендованное. Возможности экспертной системы, в том числе в части адаптационных режимов, постоянно обновляются для наилучшего выполнения задач пользователей.
[00120] Следующие правила демонстрируют логику построения спектров для пресноводных аквариумов:
[00121] Правило 1. Продолжительность светового дня должна составлять приблизительно 10 часов, при этом истинное излучение должно быть в количестве, указанном экспертной системой. Рассвет и закат должны иметь длительность один, максимум два часа. В любом случае общая продолжительность светлого времени суток не должна превышать 14 часов.
[00122] Правило 2. Если пользователь желает достичь окраски и скорости роста, близкой к оптимальной, разработанные спектры не должны сильно отличаться от типичного естественного полуденного спектра.
[00123] Правило 3. Спектры, которые далеки от типичного естественного полуденного спектра, можно использовать в течение 0,5-1 часа при симуляции рассвета и в течение 1-2 часов при симуляции заката. В утренних спектрах должна преобладать длинноволновая (оранжево-красная) часть спектра, а в вечерних спектрах должна преобладать коротковолновая (бирюзовая, голубая и фиолетовая) часть спектра.
[00124] Правило 4. Фиолетовая часть спектра важна для водных растений. Однако некоторые виды растений очень чувствительны к указанной фиолетовой части спектра. Следовательно, пользователь должен начать использовать эту часть спектра в количестве, не превышающем одной четверти света, излучаемого синим и голубым каналами в том же спектре.
[00125] Интерфейс контроллера разработан для использования либо как удаленный веб-сайт (через Интернет), либо как локальный веб-сайт (через локальное соединение, не требующее подключения к Интернету), который доступен с любого устройства, имеющего минимальные характеристики подключения, чтобы получить доступ и управлять микрокомпьютером внутри светильника. Этот микрокомпьютер, в свою очередь, управляет контроллером светильника, который, в свою очередь, устанавливает истинное излучение, испускаемое каждым светодиодом каждой светодиодной сборки.
[00126] Желательно, чтобы на микрокомпьютере была установлена полноценная операционная система (ОС) на ядре Linux, которая выполняет множество уникальных функций, т.е. вычисление в реальном времени количества излучения светильника, как в ваттах, так и в микромолях фотонов, вычисление общего суточного количества излучения, а также количества излучения за длительный цикл. Наличие ОС Linux также позволяет калибровать спектр светильника для устранения естественных колебаний спектра, присущих светодиодам в результате их бинирования, тем самым еще больше увеличивая возможность формирования равномерно распределенного желаемого спектра. Кроме того, ОС Linux предоставляет возможность использовать языки и вызовы высокого уровня для создания и анализа функций контроллера, а также формирования пользовательских действий, которые не предусмотрены стандартным интерфейсом.
[00127] Интерфейс контроллера также позволяет группировать несколько светильников (осветительные системы/осветительные приборы) в группы, при этом указанные группы имеют иерархическую или иную динамическую связь друг с другом. Интерфейс контроллера также позволяет управлять светильником или группой светильников с любого доступного через Интернет удаленного места.
[00128] Задача 5. Каждый светильник (т.е. система освещения) состоит из набора компактных источников света (т.е. светодиодных сборок), блока драйверов, микроконтроллера и микрокомпьютера, каждый из компактных источников света управляется синергистически через интерфейс контроллера (т.е. программное обеспечение) изобретения, программное обеспечение, одновременно изменяет свет, излучаемый каждым компактным источником света, в соответствии с предпочтениями пользователя и/или программы освещения, через указанный микроконтроллер и указанный микрокомпьютер.
[00129] На рис. 11 показан пример вид внутренней конструкции светильника в соответствии с настоящим изобретением (однако, со снятой рамой и рассеивателем).
[00130] Как показано на рис. 11, в середине светильника находится драйверная сборка, состоящая из нескольких драйверов (как минимум по одному на каждый канал светодиодов) и микрокомпьютер, который размещен на отдельном модуле в левой части светильника, между двумя светодиодными сборками. Этот модуль может быть аналогичным образом размещен в правой части светильника в других вариантах исполнения. Другой вариант дизайна светильника включает в себя все вышеперечисленные элементы, в том числе и микрокомпьютер, на одной компактной печатной плате вместо двух отдельных модулей, как это показано, например, на рис. 12.
[00131] Продолжая рассматривать рис. 11, мы видим справа и слева от драйверной сборки светодиодные сборки, соединенные с драйверной сборкой плоскими кабелями питания. Все структурные элементы и любые дополнительные компоненты светильника предпочтительно окрашены в белый цвет, чтобы минимизировать потери света внутри светильника.
[00132] Количество светодиодных сборок в одном светильнике зависит только от типов используемых драйверов. Количество светодиодных сборок может достигать, например, от 10 светодиодных сборок до сотен, соединенных вместе, образуя систему освещения согласно настоящему изобретению.
[00133] Количество каналов управления в примере дизайна настоящего изобретения составляет до 12 отдельных каналов светодиодов (т.е. 12 каналов светодиодов, излучающих разные и различимые длины волн). Наличие до 12 отдельных светодиодных каналов позволяет моделировать любой спектр в пределах полного видимого диапазона с более высокой точностью, чем было доступно предшествующим подобным системам.
[00134] Если требуется больше светодиодных каналов, можно использовать несколько контроллеров в одной системе освещения, так что результирующий спектр будет представлен более чем 12 отдельными светодиодными каналами одновременно. Теоретически неограниченное расширение и/или масштабируемость светодиодных каналов возможно за счет экстраполяции описанных здесь методов.
[00135] Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения было представлено в целях иллюстрации и описания. Оно не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать изобретение точным описанием конструкции. Очевидно, что специалистам в данной области будут очевидны многие модификации и вариации. Предполагается, что объем изобретения будет определен следующей формулой изобретения и ее эквивалентами.
[00136] Кроме того, слова "пример" или "образцовый" здесь используются в качестве примера, экземпляра или иллюстрации. Любой аспект или дизайн, описанный в настоящем документе как "пример", не обязательно должен рассматриваться как предпочтительный или выгодный по сравнению с другими аспектами или дизайном. Использование слов "пример" или "образец" предназначено для конкретного представления концепций. В том виде, в каком он используется в данной заявке, термин "или" означает инклюзивное "или", а не исключительное "или". То есть, если не указано иное или не ясно из контекста, "Х использует А или В" означает любую из естественных инклюзивных перестановок. То есть, если Х использует А; Х использует В; или Х использует и А, и В, то "Х использует А или В" удовлетворяется в любом из вышеперечисленных случаев. Кроме того, количественные числительные, используемые в этой заявке и прилагаемых пунктах формулы, должны обычно толковаться как означающие "один или несколько", если только не указано иное или не ясно из контекста, что они должны быть использованы в единственном числе.