 |
RGB-светодиоды: удобное управление цветомДо появления мощных светодиодов в многоцветных светильниках и прожекторах использовались лампы накаливания, галогенные или металлогалогенные лампы. Цвет регулировался заменой светофильтров и перемещением заслонок для светового потока, в результате часть света терялась. Светодиоды, которые дают нужный цвет без использования светофильтров, позволяют избежать многих проблем. |
Для светодиодов не нужны светофильтры, они сами способны давать свечение определенного цвета. Регулировка светового потока осуществляется применением диммеров. В результате выигрыш в энергопотреблении от применения светодиодов в цветных осветительных установках еще выше, чем в обычных светильниках.
По сравнению с другими источниками света, которые могут иметь определенный цвет без светофильтра (например, люминесцентными лампами с цветным люминофором), светодиоды позволяют осуществлять диммирование в пределах 0 – 100% без какого-либо влияния на срок службы. Не удивительно, что именно в области многоцветных светильников процесс вытеснения светодиодами других источников света идет особенно быстро.
Для отображения всей палитры видимых оттенков теоретически достаточно иметь три цвета. Это — так называемый RGB-синтез (Red — красный, Green — зеленый, Blue — синий). Но в реальности трех цветов бывает недостаточно.
Во-первых, из-за нестабильности цветового баланса синтезируемый белый цвет будет иметь оттенок, зависящий от ряда условий. А теперь представьте себе, что светильник включается главным образом в режиме белого света и лишь изредка (например, на праздники) в цветном режиме. Для обеспечения стабильности оттенка белого к трем цветным светодиодам добавляют еще и светодиод белого свечения. Получается набор цветов RGBW, где W — White, т. е. белый.
;)
При использовании реально существующих светодиодов в цветовой диаграмме наблюдается провал в области янтарного оттенка. Поэтому в случае, когда к точности отображения цветовых оттенков предъявляются повышенные требования, к трем цветным и белому добавляется еще и янтарный (Amber) светодиод. Получается набор цветов RGBAW.
Смешивание цветов может происходить одним из трех способов. Светодиоды могут раздельно располагаться в светильнике, а цвета смешиваются уже непосредственно на освещаемом объекте. Преимущества такого подхода — простота конструкции и высокая светоотдача. Недостаток — наличие нескольких разноцветных теней для объектов, расположенных близко к светильнику. Более сложный вариант — оптическая система, смешивающая лучи от разных светодиодов.
;)
Наконец, выпускаются специальные RGB-светодиоды, объединяющие в одном корпусе три кристалла разных цветов. Примером такого светильника является Tripix 1200 от компании Martin Professional. Использование в нем RGB-светодиодов позволило создать очень тонкий осветительный прибор, дающий равномерный свет без заметных зон затенения.
Для управления тремя цветами используются устройства, которые называются RGB-контроллерами. Наиболее распространенный вариант такого контроллера — диммер с тремя или кратным трем числом каналов. Это нужно для управления тремя цветами. При синтезе с использованием четырех или пяти цветов используются диммеры с соответствующим числом каналов.
Сигналы управления могут поступать на диммер напрямую, но бывают системы, в которых поступающие на светильник сигналы управления преобразуются, прежде чем быть поданными на многоканальный диммер.
В первую очередь речь идет об управлении по таким параметрам как тон (Hue), насыщенность (Saturation) и уровень яркости (Value). Сокращенно это называется HSV. Считается, что такая модель интуитивно более понятна. В самом деле, оценивая цвет, мы отвечаем на три основных вопроса: что за оттенок, насколько он насыщенный, насколько яркий или темный. Поэтому модель HSV часто предпочитают светодизайнеры.
Наряду с HSV существует модель HSL, где L — Lightness (светлость), иначе именуемая HSI, где I — Intensity (интенсивность). По своему принципу она похожа на HSV. Однако вместо яркости, которая является абсолютным значением, используется так называемая светлость, представляющая собой отношение субъективной яркости изображения к субъективной яркости предмета, который воспринимается человеком как белый. К перечисленным параметрам может быть добавлена цветовая температура белого канала (Color temperature). Такой способ управления называется HSIC.
|
Следует различать набор базовых цветов и режим цветового синтеза. RGB, RGBW и RGBAW являются как наборами базовых цветов. Также они являются режимами цветового синтеза в случае, когда управляющие сигналы поступают на многоканальный диммер без преобразования. Однако HIS, HSV, HSIC и установка цвета по номеру светофильтра являются режимами цветового синтеза, которые могут быть реализованы как для набора RGB, так и для большего количества базовых цветов. |
В многоцветных прожекторах на основе традиционных источников света использовались колеса с набором светофильтров. Изменение цвета сводилось к передаче на светильник номера светофильтра. Учитывая большое количество уже существующих инсталляций с такими прожекторами, в некоторых светодиодных прожекторах предусмотрен режим работы, обеспечивающий совместимость с управляющими сигналами для смены светофильтров.
Диммирование светодиодов осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. Суть его заключается в том, что светодиод питается импульсами тока прямоугольной формы с постоянной частотой. Уровень яркости регулируется длительностью (шириной) импульсов. Для того, чтобы мерцания были незаметны глазу, а также для упрощения изготовления индуктивных элементов диммера выбирается высокая частота, которая обычно лежит в пределах 2 – 20 кГц. Когда диммер и светодиоды соединены длинным кабелем, могут возникать значительные потери, особенно при малой длительности импульсов. И если в светодиодной ленте, предназначенной для декоративной подсветки, с этим мирятся, то для светильников, мощность которых исчисляется десятками ватт, такие потери недопустимы. Поэтому диммеры, как правило, располагаются в корпусе многоцветного светодиодного светильника или в непосредственной близости от него.
Проблема дистанционного управления многоканальными диммерами и вообще осветительным оборудованием возникла задолго до появления светодиодных светильников. Для этого в 1986 году Институтом театральных технологий США (USITT) в 1986 году был предложен протокол DMX-512. В настоящее время действует новая версия протокола DMX-512 (1990), принятая в 1990 году.
В этом протоколе передача данных осуществляется по физическому интерфейсу RS-485, широко используемому для промышленных применений. Особенностью этого интерфейса является передача данных по витому кабелю, состоящему из трех проводов. По двум проводам передаются сигналы управления, третий провод заземлен. Данные передаются в виде разности напряжений между двумя сигнальными проводами. Такая схема построения позволяет эффективно бороться с помехами от силовых цепей, которые характерны для осветительного оборудования. Максимальная дальность передачи данных достигает 500 м, при применении специальных устройств она может быть увеличена вдвое.
Для подключения устройств по протоколу DMX-512 обычно используются разъемы XLR, реже RJ-45 (широко используемые для Ethernet). Устройства включаются «цепочкой», т.е. в светильнике, как правило, предусмотрены как DMX-вход, так и DMX-выход. Другой вариант — раздельное подключение устройств к DMX-маршрутизатору. Также возможно параллельное подключение нескольких устройств к одной линии через специальное устройство, именуемое сплиттером. Например, Martin Professional RS-485 Optosplitter позволяет сделать до 4 ответвлений от линии передачи.
Протокол DMX-512 предусматривает наличие у каждого канала управления своего адреса. Причем в одном устройстве может быть несколько каналов, например, три канала R, G и B. Введено понятие юниверса («вселенной»), в пределах которого существует единая адресация каналов. Один юниверс может включать в себя до 512 каналов.
При наличии в светильнике встроенного управляющего компьютера, по протоколу DMX-512 могут также загружаться новые версии программного обеспечения.
Когда RGB-прожектора были атрибутом исключительно профессиональных светотехников, то вопрос создания удобного пользовательского интерфейса для управления ими не стоял. Использовались три рукоятки управления, которые регулировались специалистом по освещению с зависимости от формируемой световой картины. В правильной регулировке светового оттенка осветителю помогают как профессиональная подготовка, так и опыт работы.
В бытовых многоцветных светильниках и светодиодных лентах также поначалу использовался подобный подход. На пульте ДУ размещены кнопки цветовых каналов и кнопки «больше-меньше». Пользователь выбирает канал для регулировки, и, затем, устанавливает для него нужный уровень светового потока. Для сокращения числа кнопок на пульте иногда используется система, когда цветовые каналы перебираются одной кнопкой.
Как только многоцветные светильники «пошли в народ», сразу появилась необходимость в создании метода регулировки, который мог бы освоить неспециалист.
;)
Простейший случай — вызов определенных цветов нажатием одной кнопки. Преимуществом данной системы является ее простота. Недостаток — большое количество кнопок на пульте управления, а также ограниченный выбор оттенков. Усовершенствованным вариантом является система с предустановками, когда инсталлятор предварительно записывает в память контроллера нужные пользователю цвета, которые потом вызываются нажатием на кнопки. Поскольку в данном случае используются только нужные пользователю цветовые оттенки, количество кнопок относительно небольшое.
;)
Более совершенный способ — использование сенсорного кольца, на которое нанесены цвета радуги. Тогда следует выбрать нужный цвет прикосновением к кольцу. Преимущество заключается в малом количестве органов управления (достаточно иметь кольцо и две-три кнопки). Недостаток — в необходимости приноравливаться к органу управления, который многим пользователям может показаться необычным.
;)
Разновидность этого подхода реализована в сенсорной панели Etren Q600-D. В ней цветовые оттенки расположены по окружности. Можно выбрать один из них легким касанием панели. Помимо этого режима, который называется статическим, есть и динамический, когда оттенки меняются по кругу, при этом панель как бы переливается всеми цветами радуги. Нажатие на соответствующий участок панели в момент, когда на нем отображается нужный цвет, позволяет зафиксировать этот оттенок.
Наиболее удобный и понятный интерфейс предлагают сенсорные панели, работающие под урезанной версией Linux или версией Windows для встраиваемых систем. В них цветовая гамма может быть представлена как угодно, например, в виде круга или в виде таблицы. Передача данных из панели в светильник осуществляется по протоколу DMX. Главные недостатки таких систем — это дороговизна и относительно большие размеры.
Для получения белого цвета достаточно смешать красный, зеленый и синий цвета. К началу 90-х годов XX века выпускались светодиоды всех трех цветов. Сложив свет от трех разноцветных светодиодов, действительно можно было получить белое свечение. Первые светодиоды белого свечения действительно, работали по такому принципу.
Тем не менее, светотехника пошла по другому пути. Светодиоды синего свечения стали покрывать люминофором, свечение которого, в сумме со свечением самого светодиода, давало белый цвет. Причина заключалась в сложности обеспечения стабильности цветового оттенка. Светодиоды красного, зеленого и синего цветов изготавливаются из разных полупроводниковых материалов. На изменение температуры и силы питающего тока они реагируют по-разному. В результате достаточно небольшого изменения условий, чтобы белое свечение приобрело оттенок.
;)
Но от идеи получать белый свет смешением трех цветов ученые не отказались. Использование такого принципа дает заманчивые перспективы. Светоотдача RGB-светодиода теоретически может быть выше, чем у белых светодиодов используемой сейчас конструкции, т. к. нет потерь в люминофоре. Значительно упрощается реализация регулировки цветовой температуры светильника. Да и функцию изменения цвета при необходимости можно реализовать практически в любом светодиодном светильнике на RGB-светодиодах.
С нестабильностью оттенка белого ученые предлагают бороться при помощи встроенных микропроцессорных регуляторов, компенсирующих изменение параметров. Ученые Национальной академии наук Украины разработали чип, на котором размещены три светодиода базовых цветов и микропроцессорная схема управления. По состоянию на начало 2011 года был изготовлен опытный макет устройства, однако реализовать замысел в виде единого чипа пока не удалось.
К недостаткам создаваемых сейчас белых светодиодов, использующих принцип цветового синтеза, можно отнести спектр, состоящий из трех отдельных полос. В то же время, именно непрерывность спектра является важным преимуществом светодиодов по сравнению с люминесцентными лампами.