Светотехнические параметры и понятия. часть 1

Физическое представление

A в физике рассматриваемую величину можно выразить через понятие работы. Работа понимается как обмен энергиями между системой и внешней средой. Обмен может происходить в форме электромагнитного излучения. Интенсивность излучения как раз и будет определять яркость. Если понимать, в чем измеряется работа в физике, можно определить физическое представление яркости. Работа в физике измеряется в джоулях, которые можно представить, как Ватт-секунды. То есть мощность излучения, умноженная на время, будет считаться работой. Чем больше мощность светового излучения, тем более ярким будет источник света.

Формулы вычисления конкретного значения кандел, люменов и люксов

В настоящее время существует множество программ для гаджетов, позволяющих переводить люмены в люксы. Калькулятор может пересчитать и выполнить необходимый перевод одной величины в другую в режиме онлайн. Однако это не помешает узнать, как перевести люкс в люмен и, наоборот, с помощью формул.

Первое определение, которое необходимо знать, – что такое телесный угол. Это угол, вырезающий из сферы поверхность в виде круга с площадью R2 и имеющий центр в сфере с радиусом R. Он обозначается буквой Ω, единица его измерения – 1 стерадиан (sr).

Угол находится по формуле:

Ω = S/ R2,

где:

• S – площадь поверхности шарового сегмента сферы;
• R – радиус сферы.

После преобразования получится:

Ω = S/ R2 = 4π R2/ R2 = 4π.

Телесный угол Ω, графическое изображение

Второе определение, характеризующее источник освещения, – сила света. Эта физическая величина обозначается буквой I и измеряется в канделах (кд, сd).

Формула силы света выглядит так:

I = F/ Ω,

где:

• I – сила света, (сd);
• F – световой поток (lm);
• Ω – телесный угол, (sr).

Определение силы света

Следующая величина, вступающая в соотношение с предыдущими свойствами света, – световой поток. Имеет буквенное обозначение F, измеряется в люменах (лм, lm) и высчитывается по формуле:

F = I* Ω.

Определение светового потока

В люксах измеряют величину освещённости, которая обозначается буквой Е, с единицей измерения люкс (лк, lk). Её формула имеет вид:

E = F/S,

где:

• E – освещённость, лк;
• F – поток, лм;
• S – площадь освещаемой поверхности, м2.

Пользуясь этими формулами, можно без электронной программы «онлайн-калькулятор» переводить одни величины в другие.

Определение величины освещённости

Внимание! Основное физическое различие между люменом и люксом в том, что по мере удаления от источника излучения значение освещённости (лк) снижается, значение светового потока (лм) остаётся неизменным. Физические различия между люксом и люменом

Физические различия между люксом и люменом

Как перевести люксы в люмены

также: Оценка максимума эффективности белого света

Лю́мен (обозначение: лм, lm) — единица измерения светового потока в СИ.

Количество люмен указывает, сколько света испускает лампа во всех направлениях.

Чем больше число люмен, тем больше света.

Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд × ср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Канде́ла (обозначение: кд, cd) — единица измерения силы света в СИ (от латинского candela, свеча).

Количество кандел указывает, сколько света испускает лампа в одном направлении, в котором она светит наиболее интенсивно.

Одна кандела — сила света в данном направлении от источника монохроматического излучения с частотой 540*1012 Гц, (555 нм, зеленый цвет) имеющего интенсивность излучения в этом направлении равную 1 / 683 Вт в телесном угле равном одному стерадиану.

Калькулятор для перевода люмен в канделы

Пересчет ведется по формуле: Fv=I*2π(1-cos(α)), где Fv — световой поток Iv — сила света α — угол половинной яркости

Для расчета введите угол и силу света (световой поток).

Учтите, результаты расчета зависят от оптических параметров светодиода и дают ориентировочный результат!

Световой поток типовых источников света

Приведены сравнительные параметры некоторых источников света, значения приблизительные, только для сравнительной оценки.

Тип источника света	Световой поток (люмен)	Сила света (кандел)	лм/ватт
Лампа накаливания 40 Вт	415	35	10
Лампа накаливания 100 Вт	1550	1300	15
Люминесцентная лампа 40 Вт	2500	2200	60
Газоразрядная лампа 35 Вт (ксенон с учетом оптики фары)	3000	15000	90
Светодиод Cree XLamp XP-L 6 Вт	1226	550	200

Мощность излучения, взаимосвязь энергии света (Ватты) и светового потока (люмен)

Важным параметром для оценки энергоэффективности светодиодного излучателя считается соотношение между излучаемой мощностью и мощностью, выделяемой в виде тепла.

Излучаемый светодиодом свет, как известно, обладает определенной энергией и энергия света зависит от длины волны.

Однако сила света не пропорциональна энергии светового излучения, а зависит от чувствительности человеческого глаза. Иначе говоря, сила света — это мощность светового излучения, которое доступно для восприятия человеческим глазом. Чтобы пересчитать излучаемую энергию (Ватты) в световой поток (люмены), нужно знать длину волны излучения и кривую чувствительности человеческого глаза.

Нетрудно догадаться, что для монохромного излучения эта задача решается легко, а для светодиода белого цвета, необходимо еще знать спектр его излучения и выполнить довольно сложное интегрирование.

Цвет излучения	Формула пересчета светового потока в энергию излучения	Опт. мощность при Fv = 100 люмен, Вт	Сила света при P = 1 Вт, лм
зеленый 555 нм	Р = Fv/683 Вт/лм	0.15	683
красный 650 нм	Р= Fv/68,3 Вт/лм	1.46	68.3
красный 625 нм	Р= Fv/222 Вт/лм	0.45	222
синий 465 нм	Р= Fv/68,3 Вт/лм	1.46	68.3
белый	Р= Fv/243 Вт/лм	0.41	243

Можно оценить, что белый светодиод мощностью 1 Вт с эффективностью 100 лм/Вт излучает в виде света 0,4 Вт и 0,6 Вт рассеивает в виде тепла, а лампа накаливания из потребляемых 100 Вт излучает в видимой области спектра только 6 Вт (0,06 Вт на 1 Вт).

Энергия, потребляемая источником света от сети питания, не полностью преобразуется в излучение.

Особенно это актуально для светодиодных ламп. Кроме потерь энергии в самом светодиоде, мощность теряется в преобразователе питания, часть света задерживается оптикой — отражателями, рассеивателями, линзами.

При использовании светодиода с эффективностью 100 lm/Вт, эффективность лампы редко достигает 80 lm/Вт, а для наиболее распространённых изделий бывает 60-70 lm/Вт. В итоге, современные лампы массового производства примерно в 10 раз эффективнее лампы накаливания.

Нужно ли, на самом деле, измерять степень освещенности и что такое единица измерения света?

Ученые доказали, что тусклый или, наоборот, слишком яркий свет разрушают сетчатку человеческого глаза, из-за чего ухудшается острота зрения. Из-за разрушения сетчатки скорость и качество функционирования мозга снижаются. Недостаточное количество яркости увеличивает в людях сонливость, понижает работоспособность и ухудшает настроение

Следует учесть, что мы не берем во внимание ситуации, в которых тусклое свечение украшает обстановку: романтическое свидание, просмотр фильма и так далее. Насыщенный световой поток прибавляет сил, энергии, желания работать, тем самым быстрее утомляя человека

Единица измерения света установлена СанПиНом называют санитарные правила и нормы — данные, на которые нужно равняться при измерении освещенности. Замеры делаются для определения не только степени освещенности, но и уровня шума, пыли, загрязненности, вибрации. По мнению докторов, постоянный недостаток света на рабочем месте приводит к переутомлению сотрудников, ухудшению зрения и концентрации внимания. Рабочие становятся менее трудоспособными, что может вылиться в несчастный случай по невнимательности или другим причинам.

Помимо людей, от недостаточной освещенности страдают и другие живые организмы: растения, животные. Для быстрого развития и плодородного цветения растениям обязательно нужен мощный поток света. У животных из-за некачественного освещения могут появиться нарушения в росте и развитии, репродуктивной функции, наборе массы тела и может снизиться активность существа.

Какими приборами измерять яркость света

При инспекции охраны труда и соблюдения техники безопасности применяются яркомеры. В их число входят экспонометры и специальные датчики.

Конструкция устройств отличается наличием ограничителя угла обзора (обычно тубус, решетка или линза). Если область светоприема у них прямоугольной формы, то угла охвата сразу два – один расположен по горизонтали, другой – по вертикали.

Углы охватов приборов

Дополнительно! У профессиональных аппаратов в базовой комплектации установлены прицельные визиры.

Чувствительность прибора находится в прямой зависимости от квадрата угла его охвата. Максимальное расстояние от яркомера до точки измерения также зависит от его технических характеристик.

Расстояние от яркомера до объекта измерения

Обратите внимание! При превышении предельно допустимого расстояния в поле измерения прибора попадают посторонние предметы, расположенные по соседству с источником света. Яркость объекта можно измерить двумя способами – прямым и косвенным

В первом случае прибором напрямую измеряются максимальный и минимальный параметры, во втором – оцениваются контрасты светлот и освещения

Яркость объекта можно измерить двумя способами – прямым и косвенным. В первом случае прибором напрямую измеряются максимальный и минимальный параметры, во втором – оцениваются контрасты светлот и освещения.

Диапазоны цветовой температуры для ламп. Маркировка цвета свечения.

Для разных типов ламп диапазон цветовой температуры будет различаться.

Типы ламп	Диапазон ЦТ,К
Лампы накаливания и галогеновые	2700-3500
Дуговые ртутные	3800-5000
Натриевая лампа высокого давления	Не более 2200
Металлогалогенные	2500-20000
Люминесцентные	2700-6500
Компактные люминесцентные	2700-6500
Светодиодные	2200-7000

Точный цвет света зависит от вида и мощности лампы. Например, двухсотваттная лампа накаливания имеет цветность равную 3000 К, хотя в целом разброс цветности невелик.

Наибольший диапазон ЦТ у светодиодных источников света. Разнообразие связано с их конструкцией: для изготовления светодиодов используются разные материалы. Свет даже одинаковых led различается в зависимости от производителя. Для точной индексации температуры свечения разработан стандарт ANSI C78.377A. Цветовое свечение светодиодных ламп разбивается на 8 классов:

• 2725±145 (К);
• 3045±175 (К);
• 3465±245 (К);
• 3985±275 (К);
• 4503±243 (К);
• 5028±283 (К);
• 5665±355 (К);
• 6530±510 (К).

Даже в рамках одного класса свечение у разных лампочек различается. Производители придумали разбивать классы на подклассы (бины). Унификации пока не достигнуто: каждый изготовитель предлагает свою линейку цветовых температур. Поэтому лучше в один светильник вставлять лампочки одной фирмы. Иначе будут  расхождения в цвете свечения.

На упаковке led-ламп кроме значения цветовой температуры указывается подгруппа цветности.

Маркировка	Расшифровка	Примерный свет
WW (warm write)	Теплый белый, 2700-3300 К.
NW (neutral write)	Нейтральный белый, 3300 – 5000 К.
CW (cool write)	Холодный белый, свыше 5000 К

Маркировка люминесцентных ламп по цветовой температуре.

Российский ГОСТ выделяет пять разновидностей цвета. Они обозначаются буквами.

• ТБ – тепло-белый (2700-3000 К);
• Б – белый (3500 К);
• Е – естественный (5000 К);
• ХБ – холодно-белый (4200 К);
• Д – дневной (6000-6500 К).

Например, лампа ЛБ65 белого цвета. В последнее время российские производители наносят маркировку по международным правилам.

Зарубежные производители не маркируют по единому стандарту. Каждый изготовитель наносит свой шифр. ЦТ указывается цифровым кодом. Код у каждого производителя свой. Их расшифровку стоит спросить у продавца или посмотреть в технической документации.

Чаще всего ЦТ маркируют последними двумя цифрами кода. Их умножают на 100 для получения значения в Кельвинах.

Пример маркировки ЛЛ.

На лампе написано: L18W/840. Последние две цифры: 40. Значит, цветовая температура источника света: 40*100 = 4000 (К).

Часто европейские производители перед цифрами, обозначающими цветовую температуру, указывают слово Color/EW. (Например, Т8 w8 FS G13 RS 220 В. G Color/742. Цветовая температура составит: 42*100 = 4200 (К)).

Первая цифра трехзначного кода указывает на индекс цветопередачи (Ra/CRL). Это характеристика показывает, насколько реалистично передаются цвета при данном освещении. Индекс цветопередачи измеряется в процентах. Чем выше, тем лучше. Шифруется первая цифра: например, 7 означает, что Ra = 70-79%. В зависимости от индекса цветопередачи свечение воспринимается по-разному.

Иногда в маркировке ЦТ указывается полностью: SPM-15-27-3500-55. В данном случае температура свечения составит 3500 К.

Свечение люминесцентных ламп.

Скорость света

Скорость света в вакууме определяется в точности 299 792 458 м/с (около 300 000 км в секунду). Фиксированное значение скорости света в СИ связано с тем, что метр в настоящее время определяется в терминах скорости света. Все виды электромагнитного излучения, как полагают, распространяются в вакууме с точно такой же скоростью.

Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером, датским физиком, в 1676 году. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движение Юпитера и одной из его лун Ио,фиксируя при этом моменты затмений Ио. Рёмер обнаружил, что эти моменты зависят от положения Земли на её орбите. Предположив, что такая зависимость обусловлена конечностью скорости света, он вычислил, что свету требуется около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру орбиты Земли. Тем не менее, его размер не был известен в то время. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы получил значение скорости, равное 227 000 000 м/с.

Другой, более точный способ измерения скорости света выполнил в Европе Ипполит Физо в 1849 году. Физо направил луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который путешествовал от источника к зеркалу и затем возвращался к своему источнику. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света 313 000 000 м/с.

Существенного прогресса в измерениях скорости света удалось достигнуть в результате применения и совершенствования метода вращающегося зеркала, предложенного Франсуа Араго (1838 г.). Развив и осуществив идею Араго, Леон Фуко в 1862 году получил для скорости света значение (298 000 000±500 000) м/с. В 1891 году Саймон Ньюком, повысив точность измерений на порядок, получил величину (299 810 000±50 000) м/с. В итоге многолетних усилий Альберт А. Майкельсон добился ещё более высокой точности: полученное им в 1926 году значение составило (299 796 000±4 000) м/с. В ходе этих измерений А. Майкельсон измерял время, требовавшееся свету, чтобы пройти расстояние между вершинами двух гор, равное 35,4 км (точнее, 35 373,21 м).

Наивысшая точность измерений была достигнута в начале 1970-х. В 1975 году XV Генеральная конференция по мерам и весам зафиксировала это положение и рекомендовала считать скорость света, равной 299 792 458 м/с с относительной погрешностью 4•10−9, что соответствует абсолютной погрешности 1,1 м/с. Впоследствии это значение скорости света было положено в основу определения метра в Международной системе единиц (СИ), а сама скорость света стала рассматриваться как фундаментальная физическая постоянная, по определению равная указанному значению точно.

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частицами в веществе.

Как крайний пример замедления света, можно сказать, что двум независимым группам физиков удалось «полностью остановить» свет, пропуская её через конденсат Бозе-Эйнштейна на основе рубидия, Тем не менее слово «остановить» в этих экспериментах относится только к свету, хранящемуся в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное более позднее время, как вынужденное вторым лазерным импульсом излучение. Во времена, когда свет «остановился», он перестал быть светом.

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.

Таблица светового потока и мощности разных видов ламп

Сегодня в свободном доступе даны средние данные показания энергии с мощностью ламп, поэтому расчет по специальным формулам и с помощью других инструментов может быть необязателен. Согласно таблице, можно сделать сравнение светового потока лампы накаливания и светодиодных источников. Среди них большими показателями мощности обладают светодиодные источники. Световой поток светодиодных светильников по таблице больше.

Обратите внимание! Именно они являются самыми энергоэффективными светильниками из представленных разновидностей, благодаря которым можно значительно сэкономить на электричестве и получить качественное освещение дома или любого другого помещения. Таблица светоотдачи разных источников

Таблица светоотдачи разных источников

Светодиодных

Светодиодные лампочки одни из самых распространенных, согласно таблице световые потоки ламп разных типов. Они максимально эффективно преобразуют электроэнергию в свет. Их отдача равна от 60 до 120 люменов на ватт. При этом в процессе усовершенствования технологий, этот показатель растет с каждой минутой. Из положительных свойств можно отметить рекордно высокую энергоэффективность светопередачи, благодаря чему производится экономия электроэнергии, длительный срок эксплуатации, надежность, эксплуатацию в жестких условиях и оптимальную цветовую температуру.

Средняя светоотдача светодиодных источников

Накаливания

Лампочка накаливания создает освещение благодаря преобразованию тепловой энергии в свет. Бывает она вакуумной, аргоновой, криптоновой, ксеноновой, галогенной, двухколбовой галогенной, ксенон-галогенной и лампой накаливания, имеющей покрытие с ИК-излучением. Стоит отметить, что из всех разновидностей энергии больше всего у галогенных источников. Они отличаются, кроме того, мгновенным зажиганием в процессе включения, небольшими размерами и широким мощностным диапазоном.

Средняя светоотдача ламп накаливания

Люминесцентных

Люминесцентные лампы — светоисточники, в которых электрозаряд в ртутных парах формирует ультрафиолетовый вид излучения. Он преобразуется в свет люминофором, смесью из галогена, фосфата и кальция. Что касается светового потока, у люминесцентных ламп его значение больше, чем у ламп накаливания, имеющих аналогичную мощность.

Обратите внимание! Точное значение будет зависеть от мощности. Средняя светоотдача люминесцентных источников

Средняя светоотдача люминесцентных источников

В целом, световой поток — величина, которая представляет собой силу солнечного света и характерного излучения. На данный момент из всех представленных светильников у светодиодных моделей это значение больше. Определить величину можно при помощи специального измерительного прибора или же с помощью приведенной выше таблицы.

Освещенность и светодиодные приборы

В организации освещения всё большую популярность приобретают светодиодные лампы, LED-светильники, светодиодные панели и ленты. Светодиодная лампа представляет собой прибор, в состав которого входят:

• панель с RGB светодиодами;
• источник питания светодиодов (драйвер);
• теплоотводящая панель (радиатор);
• цоколь и колба;
• нижний и верхний держатели.

Освещённость объекта регулируется количеством установленных в лампу led-светодиодов. Спектр белого цвета варьируется от холодного к тёплому, благодаря RGB светодиодам. Три полупроводниковых кристалла в одном корпусе излучают три базовых цвета: красный (R), зеленый (G), синий (B).

Светодиодная лампочка

Важно! У светодиодных источников высокие параметры отдачи света. F – световой поток, колеблется от 50 до 100 лм на 1 Вт мощности

Это в 2-3 раза больше, чем у галогенных ламп, и почти в 6 раз выше, чем у ламп накаливания.

У светодиодных источников практически не теряется мощность на нагрев корпуса. Высокий срок службы (до 100 тыс. ч.) при коэффициенте полезного действия (КПД) более 85%.

Единица измерения освещенности.

Единица измерения освещенности – отношение свечения к поверхности, которое оно освещает, принято называть освещенностью. Учитывается именно перпендикулярное падение света на определенную плоскость.

Единица измерения освещенности — Люкс (lux.)

1 люкс = отношение 1 люмена к 1 метру поверхности в квадрате.

Световой поток измеряется в люменах. Оба показателя занесены в международную систему единиц. В Великобритании и Соединенных Штатах уровень освещенности узнают в люменах на квадратный фут, также называемые футом-кандела. Яркость свечения — освещенность от источника силой в 1 канделу на расстоянии одного фута от освещаемой плоскости.

В европейских странах есть стандарт качества освещения в рабочих помещениях. Ниже представлены некоторые рекомендации из этого документа.

• 300 люкс;Офис или другие помещения, где не нужно пристально рассматривать мелкие детали.
• 500 люкс;Такой уровень свечения должен быть в комнатах, где люди длительное время работают за компьютером или читают. Это применимо и к учебным заведениям, и к переговорным пунктам, и к другим учреждениям.
• 750 люкс.Если люди занимаются технической работой: изготавливают продукцию, создают точные чертежи и так далее, должен быть такой уровень освещенности.

Основные выводы

Знать точные определения понятий, используемых при расчетах систем освещения, рядовому потребителю не обязательно. Если необходимо просто заменить выгоревшую лампочку, достаточно помнить, что ватт – это совсем не люмен. Первый определяет мощность, второй – освещенность. При переходе на другой вид источников света вполне можно обойтись без расчетов, если найти таблицу в интернете.

Сейчас при покупке ламп необходимо ориентироваться не на ватты, а на люмены, и помнить, что этот показатель во многом зависит от конструкции источника. Например, люминесцентная лампа вполне способна обеспечивать 2500-2500 лм, причем показатель зависит от особенностей колбы. Чаще всего проблемы создают светодиодные источники, если покупаются некачественные изделия.

При выборе необходимо учитывать так же снижение яркости свечения в процессе эксплуатации. Показатели у разных источников отличаются. Лампа накаливания может терять до 15% потока, люминесцентная – до 30%, светодиодная – до 5-10%. При покупке обязательно учитывается необходимый запас.

Если проводится самостоятельный ремонт с изменением системы освещения, лучше заказать светорасчет. Любая ошибка может обернуться дополнительными затратами. Самостоятельно учесть все нюансы без специального программного обеспечения невозможно. При верном выборе специалиста он поможет выбрать вид ламп, позволяющий сэкономить на электроэнергии. После установки не будет неприятного сюрприза в виде недостаточного уровня освещенности.

Предыдущая
Освещение в квартиреКак правильно рассчитать освещение по площади помещения
Следующая
Освещение в квартиреКак правильно измерить уровень освещенности в помещении и каким он должен быть