Если бы кто-нибудь предполагал, что светодиоды займут такое доминирующее положение в световых технологиях… Только посмотрите вокруг — они фактически повсюду. От стандартных индикаторов в аудио-видео технике, портативных компьютерах и игрушках до светофоров, видеодисплеев и автомобильного света. Светодиодные технологии демонстрируют взрывной рост на протяжении последних лет, и дальнейшие перспективы светодиодов представляются весьма широкими.
Основной «движущей силой» такого роста является постоянно увеличивающийся уровень яркости светодиодов. Кроме того, на рынок приходят новые материалы и технологические процессы изготовления кристаллов. Счастливые для лентяев времена, когда разнообразие источников света ограничивалось «лампочкой Ильича», окончательно канули в лету. Одновременно с увеличением разновидностей как самих светодиодов, так и их возможных применений, повышаются и требования к уровню компетентности, необходимого проектировщикам и архитекторам для построения светодиодных систем освещения. И это не удивительно, ведь светодиодный свет из пассивного «статиста» превратился в эффективный инструмент изменения реальности. Современный рынок оптоэлектронных компонентов требует понимания не только оптических свойств светодиодов, но и методов их измерения.
Безусловно, наиболее типичные вопросы, которые задают среднестатистические потребители, связаны с оптическими свойствами светодиодов: насколько яркие ваши светодиоды? Что такое люмен? Как преобразовать канделы в люмены? Почему наши измерения не совпадают с вашими измерениями? Попробуем дать ответы на эти и другие подобные вопросы, разбив статью на пять отдельных, но взаимосвязанных тем:
— фотометрические (световые) характеристики;
— радиометрические (энергетические) характеристики;
— колориметрические (спектральные) характеристики;
— гониометрические (угловые) характеристики;
— эксплуатационные характеристики (срок службы);
По большому счёту, об этих характеристиках, стандартах и испытательных методологиях можно написать отдельную книгу. Но мы остановимся на наиболее общих моментах, представляющих для наших читателей наибольший интерес.
Эти изображения предназначены для отображения качества цветов, освещенных различными лампами. Представлен в рамках современных мониторов. Лампы, выходящие за эти рекомендации, на мой взгляд, уничтожают цвет! Эффективность, с которой светильник направляет люмен в рабочую плоскость, выражается в процентах.
Шкала от 1 до 100, указывающая на способность ламп точно отображать объекты. 100 - лучший рейтинг. Для работы в интерьерах следует использовать только лампы более 80. Отношение люменов, создаваемых лампой, к потребляемым ваттам, выраженное как люмены на ватт. Чем выше люмены на ватт, тем эффективнее лампа.
Фотометрические (световые) характеристики светодиодов
Фотометрия — это измерение света в видимом спектре. Это та часть светового спектра, которая приблизительно соответствует длинам волн 380-770 нм и видна невооружённым глазом «усреднённого» наблюдателя. Существует множество фотометрических величин, таких как яркость (1 нит = 1 кд/м 2 или 1 стильб = 1 кд/см 2), освещённость (1 люкс = 1 лм/м 2), и т.д. Все они основаны на двух основных фотометрических стандартах: световой поток и сила света.
Цвет люминесцентных ламп создается минеральными люминофорами в порошкообразной форме, которые покрывают внутреннюю часть лампы лампы. Существует четыре типа люминофорных покрытий. Традиционные галофосфоры - это недорогие покрытия, которые обычно обеспечивают весь спектр света. Но есть компромисс между цветопередачей и световым эффектом. Плохие цветные лампы, такие как «теплый белый» и «холодный белый», имеют высокую светоотдачу. Хорошие цветные лампы, такие как «теплый белый люкс» и «холодный белый люкс», имеют низкую светоотдачу.
Лампы с двойным покрытием. Имеют слой галогенофосфора и слой трифосфора. Двухслойные лампы, которые имеют толстое трехлучевое покрытие, довольно дороги, но имеют очень хорошие свойства цветопередачи. Двухслойные лампы с тонким три-фосфорным покрытием намного дешевле, но все же имеют полную светоотдачу и достаточно хорошую цветопередачу.
Световой поток измеряется в люменах. 1 люмен определяется как световой поток, испускаемый точечным источником с силой света 1 кандела внутри телесного угла 1 стерадиан (1 лм = 1 кд×ср). Важно понимать определение стерадиана, являющегося телесным углом (конусом) с центром в сфере радиуса r, который вырезает из сферы поверхность площадью r 2 (см. рис.1). Площадь поверхности сферы равна 4π r 2 , поэтому полный световой поток, создаваемый точечным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.
Редкоземельные фосфоры Обладают тонким и толстым слоем редкоземельных люминофоров и только становятся доступными. Единица измерения указывает свет, присутствующий на поверхности или рабочей плоскости. Задачи, требующие большей остроты зрения, требуют более высокого уровня ступни.
Примечание. Одна ножная пера равна количеству света, обеспечиваемого обычной восковой свечой на сферической поверхности с площадью, равной одной квадратной футе на одну футов от пламени. Если произведение должно быть включено в пространство, оно должно получать в 5 раз больше света, чем окружающее пространство. Это придает искусству восприятие того, чтобы быть выделенным или акцентированным.
Рис.1 — телесный угол Ω
Сила света измеряется в канделах. Научное определение канделы достаточно сложно для образного восприятия: «единица силы света точечного источника в заданном направлении, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср». Частота излучения 540×10 12 Гц соответствует длине волны 555 нм (излучение зеленого цвета).
Для упрощения понимания можно обратиться к происхождению названия «кандела». Так вот, одна кандела (в переводе с латыни — «свеча») это сила света обычной восковой свечи.
У многих резонно встаёт вопрос: почему сила света измеряется в каких-то канделах, а не в ваттах на стерадиан? Да, можно измерять силу света и в Вт/ср, и специалисты иногда так делают, но при этом возникает одно неудобство. Если бы мы включили синий, зелёный и красный светодиоды с одинаковой силой света в Вт/ср, то зелёный светодиод светил бы ярче. Все дело в том, что человеческий глаз имеет разную чувствительность к различным длинам волн излучения. Но об этом чуть позже. Сейчас же от теории перейдём к практике, то есть к светодиодам.
Количество света отражается от поверхности. Этот отраженный свет добавляет к общему освещению. Степень отражения сильно зависит от цвета в пространстве. Белый цвет отражает примерно 80% света, а черный - только 4%. Для направленных ламп - формула, используемая для определения взаимосвязи между свечной мощностью лампы, расстоянием, которое лампа от освещенной поверхности, и уровнем ступни на этой поверхности. Если известны два из трех элементов, можно определить третью.
Пример: счетчик островов высотой 3 дюйма на кухне с высотой потолка 8 дюймов. Расстояние от лампы до поверхности счетчика составляет приблизительно 5 дюймов. Сопоставив расстояние между счетчиком и лампой, разделив его на лампу с номинальной мощностью свечи, уровень лапки на встречной поверхности окажется равным.
Еще совсем недавно выпускаемые промышленностью светодиоды выполняли в основном индикаторные функции и их главной потребительской характеристикой была сила света (в милликанделах). Однако такая характеристика оказалась малополезной при построении систем освещения — светодиод с силой света 2000 мкд и углом свечения 30° обеспечивает такой же световой поток, как и светодиод с параметрами 8000 мкд / 15°. Поэтому, из-за увеличивающегося спроса на мощные светодиоды в качестве альтернативы лампам накаливания, сейчас всё чаще делается акцент именно на величину светового потока. То есть именно люмен является более подходящей мерой оценки произведённого света при сравнении между различными источниками света и при выполнении расчётов.
Видимая часть электромагнитного спектра простирается от 380 до 770 нанометров. Белый свет состоит из трех основных цветов. Три основных цвета света - красный, синий и зеленый. Основные цвета пигмента - красный, синий и желтый. Лампы, работающие на напряжении 120 вольт, считаются лампами линейного напряжения.
Лампы, работающие при более низком напряжении, чем линейное напряжение, называются лампами низкого напряжения. Для этих ламп требуется трансформатор для снижения линейного напряжения до 12 или 24 вольт. Единица измерения используется для указания количества или интенсивности любой лампы. Подумайте об этом с точки зрения мощности лампы. Люмены измеряются на лампе.
Для оценочного пересчета кандел в люмены, используют следующий метод:
1. Зная плоский угол свечения светодиода θ (двойной угол половинной яркости), указанный производителем, определяем телесный угол: Ω=2π
(1 — cos(θ/2)).
2. Вычисляем световой поток: F = I v × Ω, где I v — сила света светодиода.
Калькулятор для пересчета кандел в люмены и обратно:
В некоторых текстах указывается, что 1 кандела = 57 люмен; не пытайтесь преобразовать люмены в кандели, используя эту формулу. Серия формул, используемых для определения количества светильников, необходимых для освещения пространства и интервалов, необходимых для поддержания заданного уровня лапки.
Полный блок освещения; сборку, состоящую из светильника, обрезки и лампы. Метрическая единица измерения, указывающая свет, присутствующий на поверхности или рабочей плоскости. Можно назвать люкс метрической лапкой. Он отличается тем, что вместо использования сферы с радиусом одной ноги он использует один метр. Количество света, падающего на один квадратный метр сферы, называется одним люкс.
Однако, фактически измеренное значение может отличаться от расчётной величины из-за вариаций пространственного распределения излучения светодиода. Это особенно заметно при пересчёте несимметричных диаграмм направленности излучения (например, светодиодов с овальной оптикой) и индикатрис узконаправленных светодиодов. Дело в том, что не существует никакого однозначного метода пересчёта силы света для определения точного светового потока. Только непосредственным измерением этой величины можно с высокой точностью получить её значение в люменах.
Европейцы производят множество продуктов освещения, которые используются в штатах. Вместо того, чтобы изучать всю метрическую систему измерений освещения, сделайте расчеты, найденные в этой книге, с помощью педалей, преобразуйте результаты в люкс с использованием коэффициента ниже, затем выберите светильник или лампу в его метрическом эквиваленте.
Один люкс равен количеству света, обеспечиваемого обычной восковой свечой на сферической поверхности с площадью, равной одному квадрату метра на один метр от пламени. Нулевой угол света, перпендикулярный к лампам, граничит и делит пополам угол луча. Если лампа была помещена в типичную утопленную банку в потолке уровня, надир будет вертикальной линией, перпендикулярной полу, потолку и лицевой стороне лампы.
Фотометрическое измерение светодиодов может оказаться бóльшим искусством, чем просто расчёт с применением строгих физических формул. Существует масса факторов (геометрические и электрические нюансы, различные погрешности, внесённые на этапе производства светодиодов), вариации которых могут существенно влиять на оптические свойства светодиодов. Не существует двух во всём одинаковых светодиодов, поэтому требуется принятие мер, которые значительно увеличат точность ваших измерений. Они включают, но не ограничены следующим:
▪ Учитывайте смещение оптического центра эмиссии светодиодов относительно механического центра.
При фиксации светодиода в креплении испытательной установки предполагается, что свет исходит от его механического центра. Но это не всегда так (см. рис. 2). Оптический центр нередко отклоняется на 5 или более градусов от механического. Возможно, это не является особой проблемой, когда измеряемые приборы имеют широкий угол свечения, например 40 градусов или больше. Но для светодиодов с узким углом свечения результат может различаться на значительную величину. Нужно отметить, что Международная комиссия по освещению (CIE) рекомендует использовать именно механическую (а не оптическую) ось светодиода при проведении измерений.
▪ Измеряйте выход света с определённым временным интервалом.
После того, как на светодиод подано питание, температура перехода увеличивается ввиду потребления электроэнергии (температуру перехода светодиода можно определить как T j = T a + (V f × I f) × R th (j-a)) . Этот процесс может занять несколько секунд или несколько минут до момента наступления теплового равновесия, когда выход света достигнет устойчивого значения. При этом уменьшение выхода света на 5-20% или большую величину — весьма обычное явление. Эта деградация не является необратимой, и первоначальная светоотдача восстановится после обесточивания. На практике в ходе измерения большого количества светодиодов выбор длительного интервала времени между замерами не приемлем. Чаще всего задается интервал порядка 5 секунд, несмотря на то, что выход света не успевает достигать стабильного значения.
▪ Убедитесь, что температура окружающей среды постоянна в ходе тестирования.
Светодиоды меняют яркость и цвет с изменением температуры. Если температура повышается, выход света сокращается, а цвет обычно смещается в длинноволновую сторону спектра.
▪ Всегда используйте стабилизированный источник тока.
Падение напряжения (V f) на светодиоде может колебаться от прибора к прибору, поэтому если в качестве опорного питания используется источник напряжения, светодиоды не получат одинакового тока.
▪ Используйте легко воспроизводимые условия тестирования.
Сложные условия (специализированная оснастка) могут превосходно подходить для лабораторных измерений. Однако, когда необходимо тестирование значительного количества светодиодов с различным типом корпуса, углом свечения, цветом и т.д., возникает потребность в измерительной системе, которая может быть быстро перенастроена, обеспечивая идентичное выравнивание механических осей и гарантируя, что датчик всегда видит тот же самый сектор эмиссионного конуса.
▪ Убедитесь что всё оборудование надлежащим образом обслужено и откалибровано.
Измерение величин, связанных со светом. Число, указывающее размеры комнаты, рассчитанные по длине, ширине и высоте. Отражение - это количество света, которое отражается от объекта. Цвет объекта в значительной степени определяет количество света, отражающегося от объекта.
В главе 4 «Измерения освещения». Измерение между центрами светильников. Расстояние должно быть как минимум равным диаметру пучка на рабочей плоскости, чтобы равномерно поддерживать уровень лапки в пространстве. Уменьшая этот размер, подножки увеличиваются; путем увеличения расстояния между ногами уменьшаются.
Рис. 2 — девиация угла свечения
Люкс, Люмен и Кандел единицы измерения яркости светодиодов.
Чуствительность человеческого глаза неодинакова по спектру, она максимальна в зеленой области и резко спадает к фиолетовому и красному краям. Ориентируясь на глаз, как на приемник света вводят систему измерений, в которой равными принимаются такие воздействия, которые вызывают одинаковое зрительное ощущение, хотя физические приборы оценивают эти воздействия как разные.
Часто дается изготовителем крепежа. Умножьте коэффициент расстояния на расстояние от прибора до рабочей плоскости. Вне угла луча находится область «разлива» света, которая простирается от угла луча до точки в конусе света ламп, где мощность свечи падает до 10% от силы свечи в центре конуса.
Проливной свет - жизнеспособный свет, хотя этого недостаточно для учета расстояния между лампами, достаточно обеспечить достаточное освещение на фасадах настенного шкафа на кухне, например. Он также полезен как «буферная зона», когда идеальное расстояние не может быть достигнуто из-за существующих мест перекрытия потолков и т.д.
Единицей светового потока является люмен (лм)
, физиологическое действие в 1лм одинаково во всем спектре, но его энергетическая "цена" для зеленой области составляет 1/683 Вт, для фиолетовой - 1/62 Вт, а для малино-красной - 1/6 Вт. Поэтому глазу комфортнее в зеленой области, здесь физической воздействие ("давление") на него наименьшее.
Эффективность преобразования электрической мощности в световой поток характеризуют светоотдачей, измеряемой в люменах на ватт (лм/Вт). Ее иногда называют КПД, хотя ничего общего с действительным КПД эта величина не имеет.
Количество энергии, потребляемой лампой. Не выбирайте лампу, основанную исключительно на мощности. Это очень распространенная ошибка. Ваттность не имеет ничего общего с количеством света, создаваемого лампой. Лампу следует выбирать в зависимости от ее свечной силы или уровня освещенности, что указывает на интенсивность света лампы. Только тогда следует рассмотреть вопрос о том, чтобы найти наиболее экономичную лампу среди ламп, достаточно мощных, чтобы обеспечить надлежащий уровень лапки на рабочей плоскости.
В любом пространстве есть фактическая или подразумеваемая высота, на которой происходит действие. На этой высоте предполагается воображаемая плоскость, прорезающая всю комнату; рабочей плоскости. Независимо от того, вычисляете ли вы общее освещение или освещение задачи, уровень освещенности определяется в подножках, измеренных на высоте рабочей плоскости.
Шестидесятиваттная лампочка накаливания "выдает на гора" 500 лм (8,33 лм/Вт), полутораметровая люминесцентная трубка - 5000 лм, уличная натриевая лампа -10 000-20 000 лм, а S-лампа с СВЧ возбуждением (одна из последних разработок западной осетительной моды) - 100 000лм. Так что светодиодам есть кого догонять.
Световой поток в 1 лм, приходящийся на площадку в 1кв.м., обеспечивает освещенность в 1 люкс (лк); для чтения книги достаточно несколько сот люксов.
Мы постоянно задаем этот вопрос: какая разница между люменами и свечой? Короткий ответ о люменах против свечной силы. Хорошим примером, демонстрирующим разницу между люменами и свечной энергией, является лазер. Лазеры имеют очень высокую свечную силу, потому что свет фокусируется на одну точку, но он будет иметь очень низкое значение освещенности, потому что он не выделяет значительного количества света.
Вы, конечно, не захотели бы пойти на прогулку в лесу ночью с помощью лазерной указки. Существуют два основных метода, используемых различными производителями фонариков для оценки светоотдачи их продуктов. Общий световой выход может быть выражен в канделах или в люменах. Это мера всего светового выхода фонарика независимо от фокуса луча. Это почти исключительно функция лампы, и для практических целей она равна мощности лампы, производимой производителем ламп в средней сферической кандела или в люменах.
Для источников направленного излучения определяющей становится пространственная плотность светового потока в заданном направлении, называемая силой света и измеряется в канделах (1кд=1лм/стерадиан*). При этом стремятся "сжать" все излучение источника до требуемого угла. Так, для уличных светофоров надо обеспечить силу света 200-300 кд в пределах угла 20°, а для железнодорожного - 2 000-4 000кд при расходимости 3°, что бы машинист мог увидеть его издалека. Яркость источника определяется отношением силы света к площади излучателя и измеряется в кд/кв.м
., к примеру, упомянутые уличные и железнодорожные светофоры имеют яркость около 10 и 100 тыс. кд/кв.м., тогда как комнатному ТВ-экрану достаточно всего 500кд/кв.м.
Некоторые термины и понятия:
Освещенность
Освещенность показывает, как сильно освещена поверхность источником света. Она определяется отношением падающего светового потока к площади освещаемой поверхности. Единицей измерения является люкс (лк).
Равномерность освещения
Равномерное освещение очень важно для поддержания зрительного комфорта и физического состояния глаз. Неравномерная яркость и освещенность приводят к уменьшению контраста между предметами и окружением. Необходимость часто приспосабливаться к новым условиям освещенности вызывает ускоренное переутомление глаз
Распределение света
Сила излучаемого в разных направлениях света неодинакова; она отображается с помощью кривых распределения света. Самую гомогенную кривую распределения света - круг получают от плоской, диффузно светящей поверхности (источника, излучающего по закону Ламберта). На распределение света ламп можно влиять с помощью отражателей и оптических систем.
Световая отдача
Световая отдача показывает, с каким КПД полученная электрическая мощность преобразуется в свет. Она измеряется в люменах на Ватт (лм/Вт) и является главным показателем экономичности лампы.
Световая энергия
Под световой энергией понимается продукт, получаемый за единицу времени из отданного светового потока источника света. Единицей измерения является килолюмен в час (клм/ч). Световая энергия принимается во внимание, например, при оценке светогенерирующей способности ламп для фотовспышек.
Световой поток
Световым потоком называется общая мощность видимого излучения лампы. Световой поток показывает общее количество света, излучаемого источником во все направления. Единица измерения: люмен (лм).
Сила света
Сила света характеризует видимую силу излучения источником света в определенном направлении. По форме и симметрии распределения силы света различают светильники глубокого и широкого светораспределения. Единицей измерения силы света является кандела (кд).
Цветовое ощущение
Общее, субъективное ощущение, которое человек испытывает, когда смотрит на источник света. Свет может восприниматься как теплый белый, нейтральный белый или холодный белый. Объективное впечатление от цвета источника света определяется цветовой температурой.
Цветовая температура
Единица измерения: Кельвин [К]. Цветовая температура источника света определяется путем сравнения с так называемым "черным телом" и отображается "линией черного тела". Если температура "черного тела" повышается, то синяя составляющая в спектре возрастает, а красная составляющая убывает. Лампа накаливания с тепло-белым светом имеет, например, цветовую температуру 2700 К, а люминесцентная лампа с цветностью дневного света - 6000 К.
Цветность света
Цветность света определяется цветовой температурой К (в Кельвинах). Выделяют три основные группы цветности: - тепло-белая < 3300 K - нейтрально-белая 3300-5000 K - белая дневного света > 5000 K. Разные лампы, даже если они имеют одинаковую цветность света, по причине спектрального состава могут иметь абсолютно различные характеристики цветопередачи.
Цветопередача
Цветопередача отражает воздействие света лампы на цвета освещаемых ею объектов. В зависимости от места установки лампы и выполняемой ею зрительной задачи, ее искусственный свет должен обеспечивать максимально близкое к естественному дневному свету восприятие цветов. При оценке цветопередачи используется индекс цветопередачи Ra. Он определяется сравнением 8 эталонных цветов при освещении эталонным и тестируемым источниками. Чем ниже коэффициент, тем хуже цветопередача тестируемого источника света.
Умножьте кандела на 57, чтобы преобразовать в люмены. Интенсивность пикового луча является мерилом самого яркого пятна в фокусированном пучке. Это функция как выхода лампы, так и эффективности отражателя. Сфокусированное пятно света имеет такую же интенсивность, что и источник света, не сфокусированный с той же свечной мощностью, будет производить на одной и той же области с того же расстояния. Типичные значения мощности световой пучки будут входить в десятки тысяч для мощных перезаряжаемых фонарей.
Кроме того, все системы оценки света зависят от восприятия человеческого глаза и поэтому являются субъективными. Другим важным фактором помимо абсолютной интенсивности является белизна источника света. Если два одинаково интенсивных источника света различаются по цветовой температуре, глаз будет воспринимать более белый источник более ярким, чем более желтый. Цветовая температура выражается в градусах по шкале Кельвина.
