Razumevanje štirih stebrov merjenja svetlosti LED diod

Ko govorimo o tem, kako "svetla" je LED luč, pogosto uporabljamo vsakdanji izraz, ki lahko v različnih kontekstih pomeni različne stvari. Ali je to skupna količina svetlobe, ki se izliva iz žarnice? Ali je to intenzivnost žarka, ki je usmerjena na določeno točko? Ali je to raven osvetlitve na tvoji mizi ali na nogometnem igrišču? Za oblikovalce luči, inženirje in specifikatorje te razlike niso povsem običajne; So temeljni. Za natančen opis, primerjavo in uporabo LED osvetlitve se zanašamo na štiri različne, a medsebojno povezane fotometrične količine: svetlobni tok, svetlobno intenziteto, svetlost (luminanco) in osvetlitev. Vsaka od teh metrik ponuja drugačen del sestavljanke in odgovarja na drugačno vprašanje o zmogljivosti luči. Svetlobni tok nam pove skupni izhod, svetlobna intenzivnost nam pove smerno moč, osvetlitev pove, kaj pristane na površini, svetlost pa, kako površina izgleda. Obvladovanje teh štirih konceptov je bistvenega pomena za vsakogar, ki se ukvarja z oblikovanjem svetlobnih sistemov, od preproste namizne svetilke do kompleksne stadionske instalacije. Ta vodič bo razjasnil vsako od teh štirih metod izračuna svetlosti LED ter podal jasne definicije, formule, enote in praktične primere njihove uporabe.

Kaj je svetlobni tok in kako se izračuna?

Luminozni tok je temeljna metrika svetlobnega izhoda. Kvantificira skupno količino vidne svetlobe, ki jo odda vir na enoto časa. Predstavljajte si to kot celoten "tok" svetlobe iz svetilke, ne glede na smer, v katero potuje. Je mera celotnega svetlobnega izhoda, zaradi česar je najbolj neposreden pokazatelj skupne moči svetlobnega vira za proizvodnjo svetlobe. Enota svetlobnega toka je lumen (lm). Ko kupite LED žarnico in jo vidite označeno kot "800 lumenov", je to svetlobni tok – skupna količina svetlobe, ki jo žarnica oddaja v vse smeri. Vendar je izračun svetlobnega toka bolj zapleten, kot se zdi, saj človeško oko ne zaznava vseh valovnih dolžin svetlobe enako. Najbolj občutljivi smo na zeleno-rumeno svetlobo okoli 555 nm in veliko manj občutljivi na globoko rdečo ali modro svetlobo. Svetlobni tok je torej utežena mera. Izračuna se tako, da se dejanska sevalna moč (fizična energija) svetlobnega vira na vsaki valovni dolžini pomnoži s faktorjem, ki predstavlja občutljivost očesa na to valovno dolžino. Ta faktor je znan kot relativna spektralna svetlobna učinkovitost, označena kot V(λ). Formalna formula za svetlobni tok (Φ) je: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, kjer je Φ(λ) spektralni sevalni tok, V(λ) relativna spektralna svetlobna učinkovitost, Km pa konstanta (683 lm/W), ki predstavlja največjo možno svetlobno učinkovitost pri valovni dolžini najvišje občutljivosti 555 nm. V bistvu ta formula matematično pretvori surovo fizikalno moč v meritev zaznane svetlosti s strani človeškega vidnega sistema.

Kaj je svetlobna intenzivnost in kako se razlikuje od fluksa?

Čeprav nam svetlobni tok pove skupni izhod svetlobe, nam ne pove, kako je ta svetloba porazdeljena. Luč z močjo 1000 lumnov je lahko gola žarnica, ki razprši svetlobo povsod, ali pa je lahko močno fokusirana reflektor. Luminozna intenziteta je metrika, ki opisuje koncentracijo svetlobe v določeni smeri. Definira se kot količina svetlobnega toka, ki ga oddaja vir na enoto trdnega kota v določeni smeri. Trdni kot je tridimenzionalni kot, merjen v steradiani (sr), ki opisuje "stožec" svetlobe, ki se širi iz točke. Predstavljajte si svetilko: njen svetlobni tok je lahko skupno 300 lumnov, vendar je njegova svetlobna moč vzdolž osrednjega žarka zelo visoka, ker je teh 300 lumnov skoncentriranih v ozkem stožcu. Enota svetlobne jakosti je candela (cd). Ena kandela je definirana kot en lumen na steradian (1 cd = 1 lm/sr). Razmerje med tokom in intenziteto je geometrijsko. Če imate svetlobni vir, ki svoj tok oddaja enakomerno v vse smeri (izotropni vir), lahko njegovo intenziteto izračunate tako, da skupni tok delite s skupnim trdnim kotom krogle, ki znaša 4π steradian. Na primer, izotropni vir z močjo 1000 lumnov bi imel intenziteto 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd v katerokoli smer. V resnici večina LED virov ni izotropnih. Intenziteta se spreminja glede na smer. Vsota intenzitete v vseh smereh, integrirana čez celotno sfero, vas vrne nazaj do skupnega svetlobnega toka. Svetilna intenzivnost je ključna metrika za razumevanje in načrtovanje kotov žarka, reflektorjev in leč.

Kaj je svetlost (luminanca) in kako se meri?

Svetlost se tehnično imenuje luminanca. Čeprav se v pogovoru pogosto uporablja ohlapno, ima luminanca natančno znanstveno definicijo. To je mera količine svetlobe, ki se oddaja, prenaša ali odbija s površine v določeni smeri. Z drugimi besedami, kvantificira, kako "svetla" se površina zdi opazovalcu, ki jo opazuje iz določenega kota. To je ključna razlika od osvetlitve, ki meri svetlobo, ki pada na površino. Luminanca meri svetlobo, ki zapušča to površino (ali sam vir svetlobe) in potuje proti očesu. Enota luminance je kandela na kvadratni meter (cd/m²), pogosto imenovana tudi "nit". Formalna definicija vključuje svetlobno intenziteto (I), ki jo oddaja površinski element (dS) v določeni smeri, deljeno s površino tega površinskega elementa, projicirano na ravnino, pravokotno na to smer. Formula je L = dI / (dS · cos θ), kjer je θ kot med smerjo opazovanja in normalo (pravokotno) na površino. Za ravno svetlobno površino, kot je LED čip ali osvetljen znak, gledano neposredno (θ=0°), se formula poenostavi na L = I / dS. Luminanca je tisto, kar naše oči dejansko zaznavajo. Bel list papirja pod močno svetlobo ima visoko svetlost; isti papir v temni sobi ima nizko svetlost. Pri LED aplikacijah je luminanca ključna za ocenjevanje bleščanja (vir z zelo visoko svetilnostjo v vidnem polju) ter za načrtovanje prikazov in indikatorjev. Pri testiranju čipov in ocenjevanju varnosti LED sevanja se pogosto uporabljajo slikovne metode, kjer kamerni sistem meri svetlost po površini čipa, da prepozna vroče točke in zagotovi enakomerno delovanje.

Kaj je iluminacija in kako se izračuna?

Osvetlitev je morda najbolj praktična in najpogosteje uporabljena metrika v oblikovanju osvetlitve. Meri količino svetlobnega toka, ki pade na dano površino. Preprosto povedano, pove vam, koliko svetlobe pada na vašo mizo, na tla skladišča ali na nogometno igrišče. To je "končni rezultat" sistema osvetlitve z vidika osvetljenega predmeta ali naloge. Enota osvetlitve je lux (lx). En lux je definiran kot en lumen na kvadratni meter (1 lx = 1 lm/m²). Formula za osvetlitev (E) je E = dΦ / dS, kjer je dΦ svetlobni tok, ki pada na majhen površinski element površine dS. Osvetlitev je odvisna od več dejavnikov: intenzitete svetlobnega vira, razdalje od vira do površine in kota, pod katerim svetloba pada na površino. Sledi zakonu obratnega kvadrata, kar pomeni, da če podvojite razdaljo od svetlobnega vira, se osvetlitev zmanjša na četrtino prvotne vrednosti. Nanj vpliva tudi kosinus kota vpada; Svetloba, ki pade na površino pod kotom 45 stopinj, zagotavlja manj osvetlitve kot svetloba, ki jo zadene pravokotno. Na primer, bralna luč lahko zagotovi 500 luksov za knjigo, medtem ko ima dobro osvetljena pisarna na mizah 300-500 luksov. Varnostni reflektor bi morda moral zagotoviti 50 luksov na igrišču, medtem ko profesionalni nogometni stadion potrebuje 1500-2000 luksov za prenos. Osvetlitev je ključni kazalnik, ki se uporablja pri standardih in predpisih za osvetlitev za zagotavljanje zadostne svetlobe za varnost in opravljanje nalog. V praksi se meri z merilnikom svetlobe, ki ima kosinusno korekcijski senzor za natančno zajemanje svetlobe, ki pada na ravnino.

Kako se te štiri meritve med seboj povezujejo?

Razumevanje odnosov med svetlobnim tokom, svetlobno intenzivnostjo, osvetlitvijo in svetilnostjo je ključno za obvladovanje oblikovanja osvetlitve. To niso neodvisna pojma, temveč različni pogledi na isti pojav svetlobe. Luminozni tok (lumeni) je skupna izhodiščna točka — skupna svetloba, ki jo oddaja vir. Ta tok se nato porazdeli v prostoru. Porazdelitev je opisana z svetlobno intenziteto (kandela) v vseh smereh. Polarni diagram intenzitete je grafični način prikaza te porazdelitve. Ko ta porazdeljena svetloba potuje skozi prostor in končno pristane na površini, rezultat merimo kot osvetlitev (lux) na tej površini. Svetlomer, postavljen na mizo, meri osvetlitev. Nazadnje, ko ta osvetljena površina odbije del te svetlobe proti očesu opazovalca, je zaznana "svetlost" površine njena luminanca (cd/m²). Svetlomer kamere meri tudi obliko svetlosti. Preprost primer vse poveže: 5000-lumnska LED reflektorska luč (fluks) ima lahko najvišjo intenziteto 10.000 kandel v svojem osrednjem žarku. Če je ta žarek usmerjen v steno oddaljeno 10 metrov, je osvetlitev v središču tega žarka na steni lahko 100 luksov. Če je ta stena pobarvana belo in ima visoko odbojnost, je njena svetilnost lahko 30 cd/m², kar opazovalcu deluje svetlo. Če je stena pobarvana črno, je njena svetlost lahko le 3 cd/m² in se zdi temna, čeprav je osvetlitev stene enaka 100 luksov. Te štiri metrike delujejo v verigi, od vira (tok, intenziteta) do vpliva na površine (osvetlitev, luminanca), kar zagotavlja popoln jezik za opisovanje in inženiring svetlobe.

Pogosto zastavljena vprašanja o izračunih svetlosti LED diod

Kakšna je razlika med lumens in lux?

To je pogosta točka zmede. Lumeni (lm) merijo skupno količino svetlobe, ki jo oddaja vir. Lux (lx) meri količino te svetlobe, ki pade na površino. Predstavljajte si to kot dež: lumeni so skupna količina dežja, ki pade iz oblaka, medtem ko je lux globina luže na vašem dovozu. Svetilka z močjo 1000 lumnov bo na bližnji steni proizvedla bistveno višji odčitek luksov kot stropna svetilka s 1000 lumni, saj je svetloba skoncentrirana na manjšem prostoru.

Kako izračunam osvetlitev LED luči na določeni razdalji?

Za točkovni vir lahko naredimo grobo oceno z uporabo zakona inverznega kvadrata. Potrebujete svetlobno intenzivnost (v kandeli) v smeri površine. Osvetlitev (E) je približno intenziteta (I) deljena z razdaljo (d) na kvadrat: E = I / d². Vendar pa je za prave LED svetilke s specifičnimi koti snopa zadeva bolj zapletena. Najnatančnejša metoda je uporaba programske opreme za oblikovanje luči, ki uporablja fotometrične podatkovne datoteke za izračun osvetlitve na območju, pri čemer upošteva obliko žarka in več svetilk.

Katera od štirih metrik je najpomembnejša pri nakupu namizne svetilke?

Za namizno svetilko je osvetlitev najbolj praktična merila. Želite vedeti, koliko svetlobe (v luksusu) bo padlo na vašo delovno površino. Ker pa proizvajalci ne zagotavljajo vedno podatkov o osvetlitvi za določene razdalje, je skupni svetlobni tok (lumeni) dobra izhodiščna točka. Svetilka z močjo 400–800 lumnov je običajno dovolj za pisalno mizo. Upoštevati morate tudi kot snopa, da zagotovite, da koncentrira svetlobo na vašem delu, ne da bi povzročil bleščanje (pretirano svetlost) v očeh.