Razumijevanje četiri stupa mjerenja svjetline LED-a

Kada govorimo o tome koliko je LED svjetlo "jako", često koristimo ležeran izraz koji može značiti različite stvari u različitim kontekstima. Je li to ukupna količina svjetlosti koja izlazi iz žarulje? Je li to intenzitet snopa usmjeren na određenu točku? Ili je to razina osvjetljenja na vašem stolu ili na nogometnom terenu? Za dizajnere rasvjete, inženjere i specijalite, te razlike nisu slučajne; Oni su temeljni. Za točan opis, usporedbu i primjenu LED rasvjete oslanjamo se na četiri različite, ali međusobno povezane fotometrijske veličine: svjetlosni tok, intenzitet svjetlosti, svjetlinu (luminanciju) i osvjetljenje. Svaka od ovih mjera daje drugačiji dio slagalice, odgovarajući na različito pitanje o performansama svjetla. Svjetlosni tok nam govori ukupni izlaz, svjetlosni intenzitet nam govori smjernu snagu, osvjetljenje nam govori što pada na površinu, a svjetlina nam govori kako površina izgleda. Ovladavanje ovim četirima konceptima ključno je za svakoga tko je uključen u dizajn rasvjetnih sustava, od jednostavne stolne lampe do složene stadionske instalacije. Ovaj vodič će razjasniti svaku od ove četiri metode izračuna svjetline LED-a, pružajući jasne definicije, formule, jedinice i praktične primjere njihove primjene.

Što je svjetlosni tok i kako se izračunava?

Luminozni tok je temeljna metrika izlazne svjetlosti. Kvantificira ukupnu količinu vidljive svjetlosti koju izvor emitira po jedinici vremena. Zamislite to kao ukupni "tok" svjetlosti iz lampe, bez obzira u kojem smjeru se kreće. To je mjera ukupnog izlaza svjetlosti, što ga čini najizravnijim pokazateljem ukupne snage izvora svjetlosti za proizvodnju svjetlosti. Jedinica svjetlosnog toka je lumen (lm). Kada kupite LED žarulju i vidite je označenu kao "800 lumena", to je svjetlosni fluks—ukupna količina svjetlosti koju žarulja emitira u svim smjerovima. Međutim, izračun svjetlosnog toka složeniji je nego što se čini, jer ljudsko oko ne percipira sve valne duljine svjetlosti jednako. Najosjetljiviji smo na zeleno-žuto svjetlo oko 555 nm, a puno manje na duboko crveno ili plavo svjetlo. Stoga je svjetlosni tok ponderirano mjerenje. Izračunava se tako da se stvarna snaga zračenja (fizička energija) izvora svjetlosti na svakoj valnoj duljini pomnoži s faktorom koji predstavlja osjetljivost oka na tu valnu duljinu. Ovaj faktor poznat je kao relativna spektralna svjetlosna učinkovitost, označena kao V(λ). Formalna formula za svjetlosni tok (Φ) je: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, gdje je Φ(λ) spektralni zračni tok, V(λ) relativna spektralna svjetlosna učinkovitost, a Km je konstanta (683 lm/W) koja predstavlja maksimalnu moguću svjetlosnu učinkovitost pri vršnoj osjetljivosti od 555 nm. U biti, ova formula matematički pretvara sirovu fizičku snagu u mjerenje percipirane svjetline od strane ljudskog vizualnog sustava.

Što je svjetlosni intenzitet i po čemu se razlikuje od fluksa?

Iako nam svjetlosni tok govori o ukupnom izlazu svjetlosti, ne govori nam kako je ta svjetlost raspoređena. Svjetlo od 1000 lumena može biti gola žarulja koja raspršuje svjetlo posvuda, ili može biti jako fokusirano reflektor. Luminozna intenzitet je metrika koja opisuje koncentraciju svjetlosti u određenom smjeru. Definira se kao količina svjetlosnog toka koji izvor emitira po jedinici čvrstog kuta u određenom smjeru. Čvrsti kut je trodimenzionalni kut, mjeren u stendijanima (sr), koji opisuje "stožac" svjetlosti koja se širi iz točke. Zamislite svjetiljku: njezin svjetlosni tok može biti ukupno 300 lumena, ali njegov intenzitet svjetlosti duž središnjeg snopa je vrlo visok jer su tih 300 lumena koncentrirani u uski stožac. Jedinica svjetlosnog intenziteta je candela (cd). Jedna kandela definira se kao jedan lumen po steradijanu (1 cd = 1 lm/sr). Odnos između toka i intenziteta je geometrijski. Ako imate izvor svjetlosti koji emitira svoj fluks ravnomjerno u svim smjerovima (izotropni izvor), možete izračunati njegov intenzitet dijeljenjem ukupnog toka s ukupnim kutom čvrstine sfere, koji iznosi 4π steradijana. Na primjer, izotropni izvor od 1000 lumena imao bi intenzitet od 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd u bilo kojem smjeru. U stvarnosti, većina LED izvora nije izotropna. Intenzitet varira ovisno o smjeru. Zbroj intenziteta u svim smjerovima, integriran preko cijele sfere, vraća vas na ukupni svjetlosni tok. Intenzitet svjetlosti je ključna mjera za razumijevanje i dizajniranje kutova snopa, reflektora i leća.

Što je svjetlina (luminancija) i kako se mjeri?

Svjetlina, tehnički gledano, naziva se luminancija. Iako se često koristi labavo u razgovoru, luminancija ima preciznu znanstvenu definiciju. To je mjera količine svjetlosti koja se emitira, propušta ili reflektira s površine u određenom smjeru. Drugim riječima, kvantificira koliko "svijetla" površina izgleda promatraču koji je promatra iz određenog kuta. Ovo je ključna razlika u odnosu na iluminaciju, koja mjeri svjetlost koja pada na površinu. Luminancija mjeri svjetlost koja napušta tu površinu (ili sam izvor svjetlosti) i putuje prema oku. Jedinica luminancije je kandela po kvadratnom metru (cd/m²), često nazvana i "nit". Formalna definicija uključuje svjetlosni intenzitet (I) koji emitira površinski element (dS) u određenom smjeru, podijeljen s površinom tog površinskog elementa projiciranom na ravninu okomitu na taj smjer. Formula je L = dI / (dS · cos θ), gdje je θ kut između smjera gledanja i normale (okomite) na površinu. Za ravnu površinu koja emitira svjetlost, poput LED čipa ili osvijetljenog znaka, gledano izravno (θ=0°), formula se pojednostavljuje na L = I / dS. Luminancija je ono što naše oči zapravo percipiraju. Bijeli komad papira pod jakim svjetlom ima visoku luminanciju; Isti papir u tamnoj sobi ima nisku luminanciju. U LED primjenama, luminancija je ključna za procjenu odsjaja (izvor vrlo visoke luminancije u vidnom polju) i za dizajn prikaza i indikatora. U testiranju čipova i procjeni sigurnosti LED zračenja često se koriste metode snimanja, gdje sustav kamere mjeri luminanciju na površini čipa kako bi identificirao vruće točke i osigurao ujednačene performanse.

Što je iluminacija i kako se izračunava?

Osvjetljenje je možda najpraktičnija i najčešće spominjana metrika u dizajnu rasvjete. Mjeri količinu svjetlosnog toka koji pada na određenu površinu. Jednostavno rečeno, govori vam koliko svjetla pada na vaš stol, na pod skladišta ili na nogometno igralište. To je "krajnji rezultat" sustava rasvjete iz perspektive osvijetljenog objekta ili zadatka. Jedinica osvjetljenja je lux (lx). Jedan luks definira se kao jedan lumen po kvadratnom metru (1 lx = 1 lm/m²). Formula za iluminanciju (E) je E = dΦ / dS, gdje je dΦ svjetlosni tok koji pada na mali površinski element površine dS. Osvjetljenje ovisi o nekoliko čimbenika: intenzitetu izvora svjetlosti, udaljenosti od izvora do površine i kutu pod kojim svjetlost pada na površinu. Slijedi zakon obrnutog kvadrata, što znači da ako udvostručite udaljenost od izvora svjetlosti, osvjetljenje se smanjuje na četvrtinu svoje izvorne vrijednosti. Također je pod utjecajem kosinusa kuta pada; Svjetlost koja pada na površinu pod kutom od 45 stupnjeva daje manje osvjetljenja nego svjetlost koja pada izravno okomito. Na primjer, svjetlo za čitanje može dati 500 luksa na knjizi, dok dobro osvijetljeni ured može imati 300-500 luksa na stolovima. Sigurnosni reflektor možda mora osigurati 50 luksa na terenu, dok profesionalni nogometni stadion zahtijeva 1500-2000 luksa za prijenos. Osvjetljenje je ključna mjera koja se koristi u standardima i propisima rasvjete kako bi se osigurala dovoljna količina svjetla za sigurnost i obavljanje zadatka. U praksi se mjeri svjetlomjerom, koji ima kosinusno korigirani senzor za precizno hvatanje svjetlosti koja pada na ravninu.

Kako se ove četiri mjere međusobno odnose?

Razumijevanje odnosa između svjetlosnog toka, intenziteta svjetlosti, osvjetljenja i luminancije ključno je za savladavanje dizajna rasvjete. To nisu neovisni pojmovi, već različiti pogledi na isti fenomen svjetlosti. Svjetlosni tok (lumeni) je ukupna početna točka — ukupna svjetlost koju izvor emitira. Taj se tok zatim raspoređuje u prostoru. Raspodjela se opisuje svjetlosnim intenzitetom (kandela) u svim smjerovima. Polarni dijagram intenziteta je grafički način prikaza ove raspodjele. Kada ta raspršena svjetlost putuje kroz prostor i konačno padne na površinu, rezultat mjerimo kao osvjetljenje (luks) na toj površini. Svjetlomjer postavljen na stol mjeri osvjetljenje. Na kraju, kada ta osvijetljena površina reflektira dio te svjetlosti prema oku promatrača, percipirana "svjetlina" površine je njezina luminancija (cd/m²). Svjetlomjer kamere također mjeri oblik luminancije. Jednostavan primjer sve povezuje: LED reflektor (fluks) od 5000 lumena mogao bi imati vršnu intenzitet od 10.000 kandela u svom središnjem snopu. Ako je taj snop usmjeren prema zidu udaljenom 10 metara, osvjetljenje u središtu tog snopa na zidu može biti 100 luksa. Ako je taj zid obojen bijelo i ima visoku refleksivnost, njegova luminancija može biti 30 cd/m², što promatraču može izgledati svijetlo. Ako je zid obojen crno, njegova luminancija može biti samo 3 cd/m², što može izgledati tamno, iako je osvjetljenje na zidu isto 100 luksa. Ove četiri metrike djeluju u lancu, od izvora (tok, intenzitet) do utjecaja na površine (osvjetljenje, luminancija), pružajući potpuni jezik za opisivanje i inženjerstvo svjetlosti.

Često postavljana pitanja o izračunima svjetline LED-a

Koja je razlika između lumena i luxa?

To je česta točka zabune. Lumeni (lm) mjere ukupnu količinu svjetlosti koju emitira izvor. Lux (lx) mjeri količinu te svjetlosti koja pada na površinu. Zamislite to kao kišu: lumeni su ukupna količina kiše koja pada s oblaka, dok je lux dubina lokve na vašem prilazu. Svjetiljka od 1000 lumena proizvest će znatno veće očitanje luksa na obližnjem zidu nego stropna svjetiljka od 1000 lumena, jer se svjetlo svjetiljke koncentrira na manjem prostoru.

Kako izračunati osvjetljenje LED svjetla na određenoj udaljenosti?

Za točkasti izvor može se napraviti gruba procjena koristeći zakon inverznog kvadrata. Trebaš svjetlosni intenzitet (u kandelama) u smjeru površine. Iluminancija (E) približno je intenzitet (I) podijeljen s udaljenošću (d) na kvadrat: E = I / d². Međutim, za prave LED svjetiljke s određenim kutovima snopa, situacija je složenija. Najtočnija metoda je korištenje softvera za dizajn rasvjete koji koristi fotometrijske podatkovne datoteke za izračun osvjetljenja na određenom području, uzimajući u obzir oblik snopa i više svjetiljki.

Koja je od četiri metrike najvažnija za kupnju stolne lampe?

Za stolnu lampu, osvjetljenje je najpraktičniji pokazatelj. Želite znati koliko će svjetla (u luksusu) pasti na vašu radnu površinu. Međutim, budući da proizvođači ne daju uvijek podatke o osvjetljenju za određene udaljenosti, ukupni svjetlosni tok (lumeni) je dobar početak. Lampa od 400-800 lumena obično je dovoljna za radni stol. Također biste trebali uzeti u obzir kut snopa kako biste osigurali da koncentrira svjetlost na vaš rad bez izazivanja odsjaja (prevelike luminancije) u vašim očima.