Pochopenie štyroch pilierov merania jasu LED
Keď hovoríme o tom, aké "jasné" je LED svetlo, často používame bežný výraz, ktorý môže v rôznych kontextoch znamenať rôzne veci. Je to celkové množstvo svetla vychádzajúceho zo žiarovky? Je to intenzita lúča zameraného na konkrétne miesto? Alebo je to úroveň osvetlenia na vašom stole alebo na futbalovom ihrisku? Pre svetelných dizajnérov, inžinierov a špekulátorov tieto rozdiely nie sú bežné; sú základné. Na presné opísanie, porovnanie a aplikáciu LED osvetlenia sa spoliehame na štyri odlišné, no navzájom prepojené fotometrické veličiny: svetelný tok, intenzitu žiarenia, jas (luminanciu) a osvetlenie. Každá z týchto metrík poskytuje iný diel skladačky a odpovedá na inú otázku o výkone svetla. Svetelný tok nám hovorí o celkovom výkone, svetelná intenzita smerový výkon, osvetlenie nám hovorí, čo dopadá na povrch, a jas nám hovorí, ako povrch vyzerá. Zvládnutie týchto štyroch konceptov je nevyhnutné pre každého, kto sa podieľa na navrhovaní svetelných systémov, od jednoduchej stolnej lampy až po zložitú štadiónovú inštaláciu. Tento sprievodca objasní každú z týchto štyroch metód výpočtu jasu LED, poskytne jasné definície, vzorce, jednotky a praktické príklady ich použitia.
Čo je svetelný tok a ako sa počíta?
Svetelný tok je základná metrika svetelného výstupu. Kvantifikuje celkové množstvo viditeľného svetla vyžarovaného zdrojom za jednotku času. Predstavte si to ako celkový "tok" svetla z lampy, bez ohľadu na smer, ktorým sa pohybuje. Je to miera celkového svetelného výstupu, čo z nej robí najpriamejší ukazovateľ celkovej sily svetelného zdroja na produkciu svetla. Jednotkou svetelného toku je lumen (lm). Keď si kúpite LED žiarovku a vidíte ju označenú ako "800 lúmenov", ide o svetelný tok – celkové množstvo svetla, ktoré žiarovka vyžaruje vo všetkých smeroch. Výpočet svetelného toku je však zložitejší, než by sa mohlo zdať, pretože ľudské oko nevníma všetky vlnové dĺžky svetla rovnako. Sme najcitlivejší na zeleno-žlté svetlo okolo 555 nm a oveľa menej citliví na hlboké červené alebo modré svetlo. Svetelný tok je teda vážené meranie. Vypočíta sa tak, že sa vezme skutočný žiarivý výkon (fyzikálna energia) svetelného zdroja pri každej vlnovej dĺžke a vynásobí ho faktorom predstavujúcim citlivosť oka na túto vlnovú dĺžku. Tento faktor je známy ako relatívna spektrálna svietiaca účinnosť, označovaná ako V(λ). Formálny vzorec pre svetelný tok (Φ) je: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, kde Φ(λ) je spektrálny žiarivý tok, V(λ) je relatívna spektrálna žiarivosť a Km je konštanta (683 lm/W), ktorá predstavuje maximálnu možnú svetelnú účinnosť pri maximálnej citlivosti 555 nm. V podstate tento vzorec matematicky premieňa surovú fyzickú silu na meranie vnímanej jasnosti ľudským zrakovým systémom.
Čo je svetelná intenzita a ako sa líši od fluxu?
Hoci svetelný tok nám hovorí o celkovom svetelnom výstupe, nehovorí nám, ako je toto svetlo rozdelené. Svetlo s výkonom 1000 lúmenov môže byť holá žiarovka, ktorá rozstrekuje svetlo všade, alebo môže byť tesne zameraný reflektor. Intenzita svetla je metrika, ktorá popisuje koncentráciu svetla v konkrétnom smere. Definuje sa ako množstvo svetelného toku vyžarovaného zdrojom na jednotku tuhého uhla v danom smere. Pevný uhol je trojrozmerný uhol, meraný v steradiánoch (sr), ktorý opisuje "kužeľ" svetla rozptyľujúceho sa z bodu. Predstavte si baterku: jej svetelný tok môže byť celkovo 300 lúmenov, ale jej svetelná intenzita pozdĺž centrálneho lúča je veľmi vysoká, pretože tých 300 lúmov je sústredených do úzkeho kužeľa. Jednotkou svetelnej intenzity je candela (cd). Jedna kandela je definovaná ako jeden lumen na steradián (1 cd = 1 lm/sr). Vzťah medzi tokom a intenzitou je geometrický. Ak máte svetelný zdroj, ktorý vyžaruje svoj tok rovnomerne vo všetkých smeroch (izotropný zdroj), môžete vypočítať jeho intenzitu vydelením celkového toku celkovým pevným uhlom gule, ktorý je 4π steradiánov. Napríklad izotropný zdroj s 1000 lúmenmi by mal intenzitu 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd v ľubovoľnom smere. V skutočnosti väčšina LED zdrojov nie je izotropná. Intenzita sa mení podľa smeru. Súčet intenzity vo všetkých smeroch, integrovaný po celej sfére, vás vracia k celkovému svetelnému toku. Intenzita svetla je kľúčovou metrikou pre pochopenie a navrhovanie uhlov lúča, reflektorov a šošoviek.
Čo je jas (luminancia) a ako sa meria?
Jas sa technicky označuje ako jas. Hoci sa v rozhovore často používa voľne, luminancia má presnú vedeckú definíciu. Je to miera množstva svetla, ktoré je vyžarované, prepustené alebo odrazené od povrchu v danom smere. Inými slovami, kvantifikuje, ako "jasný" sa povrch javí pozorovateľovi z konkrétneho uhla. Toto je zásadné rozlíšenie oproti osvetleniu, ktoré meria svetlo dopadajúce na povrch. Jas meria svetlo, ktoré opúšťa daný povrch (alebo samotný zdroj svetla) a smeruje k oku. Jednotkou jasu je kandela na meter štvorcový (cd/m²), často nazývaná aj "nit". Formálna definícia zahŕňa svetelnú intenzitu (I) vyžarovanú povrchovým prvkom (dS) v danom smere, delenú plochou tohto povrchového prvku premietaného na rovinu kolmú na tento smer. Vzorec je L = dI / (dS · cos θ), kde θ je uhol medzi smerom pozorovania a normálou (kolmou) na povrch. Pre plochý svetelný povrch, ako je LED čip alebo svietiaca značka, pozorovaná priamo (θ=0°), sa vzorec zjednodušuje na L = I / dS. Jas je to, čo naše oči skutočne vnímajú. Biely papier pod jasným svetlom má vysokú jas; ten istý papier v tmavej miestnosti má nízku svietivosť. V LED aplikáciách je luminancia kľúčová na hodnotenie oslnenia (zdroj veľmi vysokej jasu v zornom poli) a na návrh displejov a indikátorov. Pri testovaní čipu a hodnotení bezpečnosti LED žiarenia sa často používajú zobrazovacie metódy, kde kamerový systém meria jas na povrchu čipu, aby identifikoval horúce miesta a zabezpečil jednotný výkon.
Čo je iluminancia a ako sa počíta?
Osvetlenie je pravdepodobne najpraktickejšia a najčastejšie uvádzaná metrika v dizajne osvetlenia. Meria množstvo svetelného toku dopadajúceho na danú plochu. Jednoducho povedané, hovorí vám, koľko svetla dopadá na váš stôl, na podlahu skladu alebo na futbalové ihrisko. Je to "konečný výsledok" osvetľovacieho systému z pohľadu osvetleného objektu alebo úlohy. Jednotkou osvetlenia je lux (lx). Jeden lux je definovaný ako jeden lumen na meter štvorcový (1 lx = 1 lm/m²). Vzorec pre osvetlenie (E) je E = dΦ / dS, kde dΦ je svetelný tok dopadajúci na malý povrchový prvok s plochou dS. Osvetlenie závisí od viacerých faktorov: intenzity svetelného zdroja, vzdialenosti od zdroja k povrchu a uhla, pod akým svetlo dopadá na povrch. Riadi sa zákonom inverznej štvorce, čo znamená, že ak zdvojnásobíte vzdialenosť od zdroja svetla, osvetlenie klesne na štvrtinu pôvodnej hodnoty. Je tiež ovplyvnený kosínusom uhla dopadu; svetlo dopadajúce na povrch pod uhlom 45 stupňov poskytuje menšiu svetelnosť než svetlo dopadajúce priamo kolmo. Napríklad čítacie svetlo môže poskytnúť 500 luxov na knihu, zatiaľ čo dobre osvetlená kancelária môže mať 300-500 luxov na stoloch. Bezpečnostné reflektory môžu potrebovať 50 luxov na ihrisku, zatiaľ čo profesionálny futbalový štadión vyžaduje 1500-2000 luxov na vysielanie. Osvetlenie je kľúčovou metrikou používanou v osvetľovacích normách a predpisoch na zabezpečenie dostatočného osvetlenia pre bezpečnosť a plnenie úloh. V praxi sa meria pomocou expozimetra, ktorý má sínusovo korekovaný senzor na presné zachytenie svetla padajúceho na rovinu.
Ako spolu tieto štyri merania súvisia?
Pochopenie vzťahov medzi svetelným tokom, intenzitou svetla, osvetlením a jasom je kľúčom k zvládnutiu svetelného dizajnu. Nie sú to samostatné koncepty, ale rôzne pohľady na ten istý jav svetla. Svetelný tok (lumeny) je celkový východiskový bod – celkové svetlo vyžarované zdrojom. Tento tok sa potom rozdeľuje v priestore. Rozloženie je popísané svetelnou intenzitou (kandela) vo všetkých smeroch. Polárny diagram intenzity je grafický spôsob, ako zobraziť toto rozdelenie. Keď toto rozptýlené svetlo prejde priestorom a nakoniec dopadne na povrch, meriame výsledok ako osvetlenie (lux) na tomto povrchu. Svetlomer umiestnený na stole meria osvetlenie. Nakoniec, keď osvetlený povrch odráža časť tohto svetla smerom k oku pozorovateľa, vnímaná "jasnosť" povrchu je jeho jas (cd/m²). Svetlomer fotoaparátu tiež meria určitú formu jasu. Jednoduchý príklad to všetko spája: 5000-lumenové LED reflektor (flux) môže mať maximálnu intenzitu 10 000 kandela vo svojom centrálnom lúči. Ak je tento lúč namierený na stenu vzdialenú 10 metrov, osvetlenie v strede tohto lúča na stene môže byť 100 luxov. Ak je táto stena natretá na bielo a má vysokú odrazivosť, jej jas môže byť 30 cd/m², čo sa pozorovateľovi môže zdať jasné. Ak je stena natretá na čierno, jej jas môže byť len 3 cd/m² a môže pôsobiť tmavo, hoci osvetlenie steny je rovnakých 100 luxov. Tieto štyri metriky fungujú v reťazci, od zdroja (tok, intenzita) až po vplyv na povrchy (osvetlenie, jas), čím poskytujú kompletný jazyk na opis a inžinierstvo svetla.
Často kladené otázky týkajúce sa výpočtov jasu LED diód
Aký je rozdiel medzi lumenmi a luxmi?
Toto je častý bod zmätku. Lumeny (lm) merajú celkové množstvo svetla vyžarovaného zdrojom. Lux (lx) meria množstvo tohto svetla, ktoré dopadne na povrch. Predstavte si to ako dážď: lumeny sú celkové množstvo dažďa padajúceho z oblaku, zatiaľ čo lux je hlboká kaluž na vašej príjazdovej ceste. Baterka s výkonom 1000 lúmen vyprodukuje na blízkej stene oveľa vyšší odčítaný lux než stropné svetlo s 1000 lúmenmi, pretože svetlo baterky je sústredené do menšej plochy.
Ako vypočítam osvetlenie LED svetla v určitej vzdialenosti?
Pre bodový zdroj možno hrubý odhad vykonať pomocou zákona inverznej štvorce. Potrebujete svetelnú intenzitu (v candela) v smere povrchu. Osvetlenie (E) je približne intenzita (I) delená vzdialenosťou (d) na druhú: E = I / d². Avšak pri skutočných LED svietidlách s konkrétnymi uhlami lúča je to zložitejšie. Najpresnejšou metódou je použitie softvéru na návrh osvetlenia, ktorý využíva fotometrické dátové súbory na výpočet osvetlenia v oblasti, pričom zohľadňuje tvar lúča a viacero svietidiel.
Ktorá zo štyroch metrík je najdôležitejšia pri kúpe stolnej lampy?
Pre stolnú lampu je najpraktickejším ukazovateľom osvetlenie. Chcete vedieť, koľko svetla (v luxuse) dopadne na vašu pracovnú plochu. Avšak, keďže výrobcovia nie vždy poskytujú údaje o osvetlení pre konkrétne vzdialenosti, celkový svetelný tok (lúmeny) je dobrým východiskovým bodom. Lampa s 400-800 lúmenmi je zvyčajne postačujúca na písací stôl. Mali by ste tiež zvážiť uhol lúča, aby ste zabezpečili, že sústredí svetlo na vašu prácu bez spôsobovania oslnenia (nadmerného jasu) v očiach.
