Светодиодное освещение в деталях

Cветодиодные световые приборы имеют общие черты с традиционной светотехникой и в то же время отличаются от нее. Очень важно понимать эти сходства и различия для того, чтобы корректно проводить сравнения между обычными и светодиодными приборами, а также для того, чтобы правильно подбирать светодиодные приборы для различных областей применений.

Правильно сконструированные светодиодные световые приборы по своим эксплуатационным характеристикам и экономичности не уступают и даже превосходят традиционные, например, КЛЛ. Подобно традиционной светотехнике, существуют различные типы светодиодных световых приборов, различающиеся по уровню светового потока, размерам и предназначенные для большого количества областей применения. Светодиодные световые приборы могут устанавливаться и запитываться так же просто, как и традиционные, с использованием обычной электропроводки и кабелей.

Главным отличием светодиодных источников света от традиционных является то, что в светодиодах применяется совершенно иной принцип генерации света и используются абсолютно другие материалы. Менее очевидным отличием является то, что в светодиодном источнике света стирается граница между лампой и светильником. В светодиодной осветительной технике «лампы», которыми являются светодиоды, неотделимы от «светильника», а именно: от корпуса, электроники и линз.

Эти два различия оказывают очень большое влияние на методы испытаний светодиодных источников света, измерение их светового потока, оценку их пригодности для конкретного применения и способы сравнительной оценки светодиодных и традиционных световых приборов.

Понимание различий между двумя типами систем освещения поможет избежать многих трудностей, связанных с использованием светодиодов. Корректная интерпретация основных технических характеристик светодиодных световых приборов поможет правильно выбрать осветительное устройство для конкретной области применения. Ниже представлен общий обзор технологии светодиодного освещения. Эта информация поможет вам лучше разобраться в светодиодных системах освещения.

ОЦЕНИВАЕМ СВЕТОВОЙ ПОТОК: КАК ВАЖЕН СВЕТ

Световой поток – термин, косвенно характеризующий то, какое количество света излучается световым прибором, а также то, как именно прибор излучает и распределяет этот свет. Официальным термином для описания количества и распределения видимого света, излучаемого конкретным источником, является термин «фотометрические данные».

Для оценки и сравнения традиционных световых приборов чаще всего используется понятие светового потока, измеряющегося в люменах. Люмен – это единица измерения всего воспринимаемого светового потока, испускаемого источником света. В быту специалисты, занимающиеся освещением, покупатели и просто пользователи для оценки осветительного оборудования часто прибегают к термину «яркость». Это не только ошибочно, но и может ввести в заблуждение, особенно в отношении светодиодных световых приборов.

По ряду причин световой поток не является единственным параметром, характеризующим возможности осветительного прибора. Оценка возможностей светодиодных осветительных приборов с помощью светового потока может дать ложное представление о возможностях светодиодных световых приборов и их пригодности для конкретных областей применения.

Лаборатории по испытанию осветительных приборов публикуют фотометрические данные в файлах .ies, формат которых соответствует стандартам, установленным светотехническим обществом серверной америки (ies). известные производители осветительного оборудования предоставляют эти файлы специалистам по проектированию освещения, которые используют их вместе с программными средствами для анализа освещения с целью получения таблиц, графиков и объемной визуализации, а также для выполнения сравнений различных типов световых приборов.

Для оценки возможностей светодиодных осветительных приборов и сравнения их с традиционными источниками света вместо понятия «световой поток» лучше использовать термин «полезный свет». Параметром для измерения полезного света является освещенность. Освещенность характеризует интенсивность света, падающего на поверхность. Если площадь поверхности измеряется в квадратных футах, то единицей освещенности является фут-кандела. Если площадь измеряется в квадратных метрах, то единицей освещенности является люкс (лк).

Полезный свет характеризует количество света от осветительного прибора, которое достигает освещаемого участка. Это та часть светового потока осветительного прибора, которая эффективно направляется на рабочую поверхность без учета потерь света. В качестве рабочей поверхности может выступать любой участок объекта, который необходимо осветить: коридора, офисного помещения с компьютерами, кухонного стола или наружной стены пирамиды Майя в Гватемале.

Потери света могут возникать по различным причинам: например, свет может частично загораживаться или рассеиваться корпусом светильника, излучаться в неправильном направлении, теряться в результате прохождения через светофильтры и линзы или из-за неправильной ориентации светового прибора, а также по другим причинам.

В справочной книге «The IESNA Lighting Handbook» объемом порядка 1000 страниц, выпущенной Светотехническим обществом Северной Америки (IES)11, подчеркивается важность использования характеристики полезного света, особенно для белого света и повседневных областей применения. Наряду с главами, посвященными описанию способов создания нужного количества полезного света для отдельных областей применения, в книге содержится подробная информация об оптимальных уровнях освещенности для различных интерьеров, промышленных помещений, открытых площадок, спортивных сооружений, транспортных магистралей и аварийного освещения.

Формально одна фут-кандела равна 10,7 лк. однако для упрощения расчета принимается, что фут-кандела равна 10 лк. 30 фут-кандел соответствуют 321 лк, но для удобства принимаются равными 300 лк.

Так, для офисных помещений с планировкой открытого типа и большим количеством компьютеров, а также для стоек регистрации в аэропорту рекомендуемый уровень освещенности составляет 30 фут-кандел (300 лк). Уровень освещенности в грузовых лифтах должен составлять около 5 фут-кандел (50 лк), а для чтения в кресле в комнате – около 50 фут-кандел (500 лк). В лекционных залах, где используются наглядные пособия, уровень освещенности должен быть порядка 100 фут-кандел (1000 лк).12

ЛЮМЕНЫ: КАКИЕ СЛОЖНОСТИ ВОЗНИКАЮТ С НИМИ

Традиционное использование понятия «световой поток» для оценки и сравнения светодиодных световых приборов вызывает ряд проблем:

Так как полное и точное определение того, что такое люмен и другие фотометрические термины является достаточно сложным, многие понимают их неправильно. Без правильного понимания того, что означают эти термины, невозможно точно оценить свойства светодиодных источников света.
Использование светового потока для оценки воспринимаемой интенсивности источника света имеет ряд недостатков, которые усугубляются особенностями спектра излучения светодиодных источников света, особенно в области синего края спектра видимого света.
Производители традиционных световых приборов часто указывают полный световой поток лампы, а не всего светового прибора. Так как в светодиодной осветительной арматуре невозможно отделить лампу от светильника, то для правильного сравнения светодиодных световых приборов с традиционными нужно использовать понятие «световой поток» только для светового прибора в целом.
Светодиодные и традиционные световые приборы по-разному испытываются, вследствие чего и некоторые фотометрические данные для них указываются по-разному. Для правильного сравнения световых приборов необходимо учитывать эти различия.
Полный световой поток светильника не учитывает потери света. Так как светодиодные световые приборы являются направленными и излучают белый или цветной свет без использования светофильтров, а также без дополнительной фокусировки и экранирования, то и потери света у них гораздо ниже, чем у традиционного оборудования. Светодиодные световые приборы доставляют большую часть излучаемого светового потока до освещаемой поверхности. Следовательно, светодиодные световые приборы с меньшим значением светового потока могут доставить такое же или большее количество полезного света в нужное место, чем традиционные осветительные приборы с большим значением светового потока в люменах.

ЧТО ТАКОЕ ЛЮМЕН?

Световые измерения можно проводить двумя способами: радиометрическим или фотометрическим. Радиометрический способ предполагает измерения для всех длин волн излучения источника света, в диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения. При фотометрическом способе измерения выполняются только для видимого света. Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света на всех длинах волн, называется потоком излучения и измеряется в ваттах. Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света в диапазоне длин волн видимого света, называется световым потоком и измеряется в люменах.

В повседневной практике мощность источника света часто ошибочно называют его «яркостью». Яркость является субъективным параметром и зависит от таких факторов, как расстояние между источником света и наблюдателем, угол зрения и условия среды вокруг источника света. В противоположность яркости, измерения светового потока основываются на точных стандартах и условиях проведения испытаний и являются объективными.

Так как видимость относится только к человеку, фотометрические данные учитывают чувствительность глаза человека, которая зависит от длины волны видимого света (цвета). Зависимость чувствительности глаза человека с нормальным зрением от длины волны представляет собой колоколообразную кривую. Эта кривая известна как спектральная эффективность светового потока и часто называется кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Согласно этой кривой, наивысшая чувствительность глаза достигается в зеленой спектральной области (длина волны 550 нм) и постепенно снижается как к красному, так и к синему краям спектра.

При расчете светового потока происходит взвешивание света для различных длин волн с помощью кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Два источника света, имеющие одинаковые значения лучистого потока, но излучающие различные спектры в пределах кривой чувствительности глаза, будут иметь разные значения светового потока. Представим, например, два источника света с потоком излучения 1 Вт каждый. Один источник излучает синий свет на длине волны 480 нм, а второй – зеленый свет на длине волны 555 нм. Как показывает кривая относительной спектральной чувствительности глаза, синий свет будет выглядеть менее ярким, чем зеленый, несмотря на то что суммарная мощность каждого источника одинакова. Другими словами, зеленый свет дает больше люменов, чем синий, хотя оба источника света излучают одинаковое количество энергии.

Функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях.

На практике кажущаяся интенсивность источника света зависит от индивидуального восприятия каждым человеком. В 1924 г. Международная комиссия по освещению (МКО), признанный авторитет в области света, освещения, цвета и цветового пространства, стандартизировала чувствительность человеческого глаза к видимому свету, введя такое понятие как «стандартный наблюдатель». Стандартный наблюдатель обладает нормальной чувствительностью глаза к видимому свету при определенных условиях, установленных стандартом.

Световой поток рассчитывается с использованием кривой относительной спектральной световой эффективности. Следовательно, два источника света, имеющие одинаковую мощность, но излучающие свет с разными длинами волн, будут иметь разные значения светового потока в люменах.

Кривая относительной спектральной чувствительности глаза, которая используется в измерениях светового потока и других фотометрических измерениях, является кривой чувствительности глаза именно стандартного, а не произвольного наблюдателя. Измерения светового потока и другие фотометрические измерения являются, таким образом, аппроксимациями и идеализациями, которые могут успешно применяться для оценки и сравнений различных источников света.

НЕДОСТАТКИ КРИВОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГЛАЗА

Хорошо известно, что кривая относительной спектральной чувствительности глаза недооценивает воспринимаемую интенсивность света с длинами волн, лежащими на синем краю спектра видимого света. В течение многих лет было предложено большое количество модификаций кривой относительной спектральной чувствительности глаза, хотя ни одна из них не получила всемирного признания. Например, коррекция Джадда-Воса подстраивает кривую чувствительности глаза для более точного представления нормальной чувствительности человеческого глаза, особенно для синего цвета.

Для повышения точности стандартной кривой относительной спектральной чувствительности глаза к свету с различными длинами волн были предложены ее различные корректировки, например, коррекция Джадда-Воса.

Коррекция Джадда-Воса не вносит больших изменений в стандартную кривую относительной спектральной чувствительности глаза и имеет небольшой эффект при сравнении традиционных источников света друг с другом. Но коррекция может иметь большой эффект при измерении светового потока, излучаемого светодиодными источниками света и при сравнении их с традиционными источниками света.

Традиционные источники света обычно излучают свет в широком диапазоне длин волн видимого света. Спектр излучения ламп накаливания обычно перекрывает весь диапазон длин волн видимого света. Люминесцентные источники света имеют спектры излучения с пиками, характеризующиеся интенсивным излучением в узких диапазонах длин волн и меньшей интенсивностью в остальной части спектра. Это связано с наличием спектральных линий ртути, которая отсутствует в светодиодах.

Насыщенные цвета кажутся глазу более «яркими», чем менее насыщенные, даже при одинаковом световом потоке. Причина этого эффекта пока не установлена, и он не учитывается кривой относительной спектральной чувствительности глаза.

Одноцветные светодиоды обычно излучают свет в одном узком диапазоне длин волн, что усугубляет недостатки кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Например, вычисленное значение светового потока для синего светодиода с пиком на длине волны около 460 нм не учитывает значительную часть видимого света, испускаемого светодиодом.

Длины волн видимого света, исключенные из измеренного стандартным методом значения светового потока, могут привести к значительной недооценке воспринимаемой интенсивности некоторых светодиодов. Коррекция Джадда-Воса частично компенсирует этот эффект.

Фактически недостатки кривой чувствительности глаза могут привести к получению заниженных значений воспринимаемого светового потока, излучаемого светодиодными источниками света, особенно для синих светодиодов. Воспринимаемая интенсивность светодиодных световых приборов может быть больше, а в некоторых случаях – намного больше той, которая для них указывается.

ЛИНЗЫ, СВЕТОФИЛЬТРЫ, ЭКРАНЫ И ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ПОТЕРЬ

Количество света, создаваемого световым прибором на рабочей поверхности, зависит не только от светового потока самого прибора, но и от ряда других факторов. К ним относятся размещение прибора в пространстве, расстояние до освещаемой поверхности и потери света в результате фокусировки, фильтрации, экранирования и других вспомогательных приемов, используемых для направления или видоизменения излучения источника света.

Светодиодные источники света изначально являются направленными, и это минимизирует потери, связанные с фокусированием и экранированием света. Поскольку светодиоды испускают цветной свет, устраняются потери, связанные с использованием светофильтров для изменения цвета или распределения света, излучаемого традиционными источниками света.