Влияют ли CRI и светоотдача на фотонную эффективность?

Влияют ли CRI и светоотдача на фотонную эффективность?

Рис. 1. 15 образцов цветов по тесту Манселла для расчета индекса цветопередачи.

Рисунок 2. Спектры различных CRI.

В настоящее время на рынке мы можем найти различные светодиодные продукты с классом CRI (Ra), как правило, от 80 до 98. В преддверии следующего содержания мы поговорим немного больше о методе улучшения CRI.

На спектральном уровне могут быть разные рецепты комбинаций люминофоров для увеличения индекса цветопередачи, но наиболее эффективным и практичным способом является усиление длинных волн красного спектра. На рис. 2 показано сравнение Ra 80 и Ra 98 на примере спектров 3000K и 6000K. Можно сделать вывод, что смещение красного спектра помогает значительно увеличить индекс цветопередачи.

Рисунок 4. Процесс преобразования энергии при работе светодиода.

Рисунок 5. Фотосинтетическая чувствительность.

Клиенты время от времени запрашивают светодиоды с высоким индексом цветопередачи для своих проектов по выращиванию растений, и иногда это сбивает нас с толку: почему светодиоды с хорошей цветопередачей для человеческого зрения также желательны для выращивания растений?

Чтобы понять это, мы проводим соответствующие эксперименты и расчеты для анализа причин этого требования, чтобы выяснить, имеет ли оно смысл.

Выводы –
Для оценки эффективности фотонов мы не думаем, что CRI и визуальная эффективность существенно влияют на результат.

Учитывая реалистичную производительность для выращивания конкретных растений, CRI и визуальная эффективность могут быть важны соответственно.

Основные понятия

Во-первых, необходимо прояснить и подчеркнуть некоторые основные понятия, которые будут упоминаться и использоваться.

CRI (индекс цветопередачи).

CRI оценивает способность источника света воспроизводить исходный цвет объекта с полной оценкой 100 (Ra). Этот показатель выбирает образцы цвета теста Манселла, используя различные источники света в качестве эталонных источников и сравнивая результат хроматической аберрации в ходе теста. измеряемые и эталонные источники света. Чем больше аберраций, тем ниже оценка цветопередачи. Взяв среднее арифметическое значение первых 8 тестовых образцов цвета, мы получим Ra как общий индекс цветопередачи, взяв 15 тестовых образцов цвета, мы получим расширенный индекс цветопередачи. В этом расчете также участвует трехцветный стимул, который предназначен для адаптации человеческого глаза, CRI - это своего рода зрительное восприятие.

Световая эффективность.

Светодиод известен своими замечательными энергосберегающими характеристиками по сравнению с обычными источниками света, и это также помогает получить Нобелевскую премию. Энергосберегающий, с другой точки зрения, означает эффективный. Существуют различные измерения эффективности, а световая отдача, которая представляет собой визуальное восприятие, измеряется на основе фотопического зрения с пиковой чувствительностью на длине волны 555 нм (рис. 3).

Рисунок 3. Зрительная чувствительность человека.

Согласно теории расчета светового потока, при прочих равных условиях, чем больше спектр перекрывается с фотопическим зрением, тем выше светоотдача. Эта теория также отвечает, что, как правило, светодиод с высоким индексом цветопередачи всегда имеет более низкую светоотдачу.

WPE (эффективность сетевой розетки).
Эффективность сетевой розетки оценивает эффективность преобразования электрической энергии в оптическую. В отличие от CRI, WPE рассчитывает физические характеристики без добавления каких-либо визуальных восприятий. Понимание и анализ WPE также помогают при расчете подходящего радиатора.

PAR (фотосинтетически активное излучение).

Фотосинтетически активное излучение определяет длину волны 400–700 нм, в пределах которой наиболее чувствительно происходит фотосинтез. Он похож на человеческий глаз
видимый диапазон, но чувствительность совсем другая (рис. 5).

PPF (фотосинтетический поток фотонов) и PPE (фотосинтетическая эффективность фотонов).
Поток фотосинтетических фотонов рассчитывается на основе ФАР, и, по сути, это фотон, генерируемый источником света каждую секунду, измеряемый в микромолях (мкмоль), и расчет включает постоянную Авогадро, постоянную Планка, скорость света и спектральную распределение мощности (дискретное в определенных нанометровых интервалах, измеряемое как Вт/нм). Следовательно, мы можем рассчитать поток фотосинтетических фотонов на каждый нанометр:

Очевидно, что все константы и переменные, используемые для расчета PPF, являются «чистыми» физическими величинами без дополнительных фотосинтетических или биологических взвешиваний. Это также означает, что пока существует определенное спектральное распределение мощности в PAR, можно получить один и тот же PPF независимо от формы спектра.

Было бы легко рассчитать эффективность фотонов, когда у нас есть поток фотонов, PPE измеряет, насколько эффективно источник света генерирует фотоны, с знаменателем на основе электрической мощности, PPE обычно описывается как мкмоль / Дж (Дж = Джоуль, равно к Вт·с). Точно так же расчет PPE касается «чистой» физической стоимости. Это сильно отличается от расчета светового потока и эффективности.

Соответствующие эксперименты

Чтобы сравнить экспериментальные результаты в равной степени, мы стараемся сделать условия как можно более одинаковыми, и экспериментальные условия основаны на:
Спектр белого света 4000K CCT.
CRI имеет смысл только при белом свете, мы выбрали 4000K, который является одним из наиболее часто используемых CCT в садоводческом освещении в качестве экспериментального объекта.
Светодиодный кристалл, люминофор и упаковка.
Матрица и упаковка остаются прежними (упаковка 2835), с учетом корректировки по CRI, что означает изменение длины волны спектра, люминофор наносится по-другому.
Состояние теста.
С промышленным стандартным интегрирующим шаром и спектрометром со стандартной процедурой калибровки условия испытаний поддерживаются постоянными, чтобы избежать какой-либо инструментальной ошибки.
Принцип построения различных спектров.
Как упоминалось выше, улучшение индекса цветопередачи в основном связано с улучшением спектрального распределения мощности на более длинных волнах (600–650 нм), а улучшение световой эффективности на уровне спектра заключается в максимально возможной корректировке спектрального распределения мощности в рамках фотопического зрения. Поэтому в следующих экспериментах с различными конструкциями спектра переключение между индексом цветопередачи и светоотдачей считается первичным.

Соответственно, четыре различных эксперимента CRI обрабатываются для соответствия указанным выше условиям, это Ra 95+, Ra 90+, Ra 85+ и Ra 80+, и выбирается средний результат из 10 образцов, чтобы избежать эффекта смещения, список оптических параметры реального теста представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Средние данные испытаний различных индексов цветопередачи при температуре 4000K при одинаковых условиях.

Рис. 7. Спектральное сравнение с разным индексом цветопередачи.

Общепризнано, что световой поток не подходит для оценки эффективности садового освещения, поскольку растения видят иначе, чем человек, вместо этого следует использовать PPF и PPE. По алгоритму преобразованные PPF и PPE также представлены на рисунке 6.

Странно, от Ra 80 до Ra 95 световая отдача явно разная, но PPF и PPE одинаковые (учитывая погрешность прибора при испытаниях), значит CRI и светоотдача не влияют на PPF и PPE, почему?

Рисунок 9. Коэффициенты отражения CRI TCS 1 – 8.

Рисунок 10. Сравнение спектров и различной фотосинтетической чувствительности.

Рисунок 8. Удельный Ri различных индексов CRI.

В экспериментах используется один и тот же светодиодный кристалл с мощностью излучения 230 мВт, длиной волны 450 нм и напряжением 2,9 В и питанием 150 мА с одинаковым EQE зеленого и красного люминофоров, которые используются для разных индексов цветопередачи, что означает, что все переменные используются для расчета светодиода. мощность излучения и PPF/PPE одинаковы, тогда мы получаем этот результат и вывод о том, что CRI и светоотдача не влияют на PPF и PPE, но напоминаем, что этот вывод основан на одних и тех же экспериментальных условиях – одних и тех же константах и ​​переменных в расчетах, и на основе общего признания того, что улучшение индекса цветопередачи означает улучшение длинноволнового спектра.

Результат реальных испытаний соответствует теории — с улучшением CRI световой поток и эффективность постепенно снижаются.

На рисунке 7 (а) четыре спектра сравниваются как нормализованные по одной и той же оси координат. Можно обнаружить, что пиковая длина волны красного спектра смещается вправо при увеличении Ra.

На рисунке 7 (b) абсолютная освещенность Ra 80 и Ra 95 сравнивается на одной оси координат. По-видимому, излучение синего пика Ra 80 сильнее, чем Ra 95, это связано с тем, что большая длина волны красного люминофора поглощает больше энергии от синего чипа или люминофоров, возбуждаемых синим чипом. Поэтому энергия из спектра распределяется более равномерно.

Понять причину

Как упоминалось выше, эксперименты проводятся в как можно более одинаковых условиях, за исключением того же корпуса 2835, кристаллы светодиодов такие же, как пиковая длина волны 450 нм, мощность излучения 230 мВт, и люминофоры, используемые в экспериментах:
Ра 80
Зеленый люминофор: пиковая длина волны Lu3Al5O12:Ce 530 нм, EQE (внешняя квантовая эффективность) 74%;
Красный люминофор: (Ca,Sr)SiAlN3:Eu пиковая длина волны 625 нм, EQE 85%;
Ра 85
Зеленый люминофор: Lu3Al5O12: длина волны пика Ce 532 нм, EQE 76%;
Красный люминофор: (Ca,Sr)SiAlN3:Eu пиковая длина волны 629 нм, EQE 86%;
Ра 90
Зеленый люминофор: Lu3Al5O12: длина волны пика Ce 532 нм, EQE 72%;
Красный люминофор: (Ca,Sr)SiAlN3:Eu пиковая длина волны 640 нм, EQE 78%;
Ра 95
Зеленый люминофор: Lu3Al5O12: длина волны пика Ce 532 нм, EQE 72%;
Красный люминофор: (Ca,Sr)SiAlN3:Eu пиковая длина волны 651 нм, EQE 84%.
Как представлено в основных понятиях, световой поток и эффективность являются визуальными восприятиями для человеческого глаза, расчет потока является неотъемлемой частью зрительной чувствительности, как:

Можно сделать вывод, что форма спектра является одним из решающих факторов, влияющих на поток и эффективность. От Ra 80 до Ra 95 за счет уменьшения распределения внутри зрительной функции поток и эффективность снижаются синхронно. На рисунке 6 показано, что эти четыре светодиода генерируют одинаковую мощность излучения (с учетом погрешности прибора), но результаты получаются разными при преобразовании в световой поток.

Дополнительным феноменом этих различных CRI является то, что, как широко известно, длинноволновый спектр в основном влияет на передачу насыщенного красного цвета, который является R9 в CRI 15 TCS (Test Color Samples), однако в этих экспериментах, по-видимому, длинноволновый спектр Спектр длин волн также влияет на Ra – в среднем от R1 до R8 значительно. Действительно, по результатам CRI R9 является наиболее изменчивым параметром, от Ra 80 до Ra 95, R9 рассчитывается как -7,36, 19,12, 62,49 и 91,55 соответственно. На рис. 8 показано конкретное значение Ri от четырех светодиодов CRI.

Чтобы объяснить это явление, мы могли бы проверить коэффициент отражения CRI TCS 1-8 (рис. 9). От 600нм до 650нм ТКС1-8 имеют соответствующий коэффициент отражения, который колеблется от 14,8% до 67,6%, что означает, что распределение в пределах 600нм-650нм эффективно влияет на ТКС 1-8, то есть длинноволновая часть влияет на Ra эффективно.

Что касается PPF и PPE, хотя они начинаются со слов «Фотосинтетически» или «Фотосинтетически», в расчетах не участвует ни один из конкретных ботанических факторов. Помимо соответствующих констант, спектральное распределение мощности, которое по существу представляет собой мощность излучения, определяет PPF и PPE. Процесс преобразования энергии в этом светодиоде 4000K и соответствующие ключевые факторы, влияющие на преобразование, можно описать следующим образом:

Вывод и размышления

Хотя сделан вывод о том, что индекс цветопередачи и световая отдача не влияют на PPE, расчет PPF/PPE измеряет количество фотонов в пределах PAR, но не включает взвешивание различной фотосинтетической чувствительности. На рис. 10 показано сравнение спектров Ra 80 и Ra 95 с чувствительностью поглощения хлорофилла-а, поглощения хлорофилла b, фитохромного красного (Pr) и фитохромного дальнего красного (Pfr) и длинноволнового (>600 нм) диапазона, который это наиболее отличающаяся часть между Ra 80 и Ra 95, показанная зеленым и фиолетовым цветом на рисунке 10.

По-видимому, длинноволновая часть (>600 нм) участвует в пиках фотосинтетической чувствительности, и, сравнивая разные спектры CRI, пик Ra 95 ближе к пикам фотосинтетической чувствительности, что означает при рассмотрении поглощения хлорофилла а, Хлорофилл b, Pr и Pfr, спектры с высоким CRI должны работать лучше, а «высокий CRI» основан не на лучшей визуальной цветопередаче, а на более достаточном спектральном распределении мощности в длинноволновом диапазоне (> 600 нм). Что касается фактической производительности конкретных растений на определенной стадии роста, мы оставляем это на усмотрение биологов.

Предыдущий: Что такое TLCI (индекс согласованности телевизионного освещения)?

Следующий: Светодиоды с высоким CRI против OLED с высоким CRI, что вы выберете?