в чем измеряют световой поток

Разоблачаем мировой заговор или как измерить световой поток светодиодов на коленке

Все вы, наверное, слышали про мировой заговор. Масоны, инопланетяне и евреи Производители электрических лампочек вступили в него сто лет назад, чтобы лампочки не служили вечно, а перегорали каждый месяц и жрали уйму электричества. И только сейчас путы заговора разорваны и лампочковые магнаты раздавлены великой империей Китая, завалившей весь мир вечными и экономичными светодиодными лампами. Но не расслабляйтесь – мировой заговор не сдается. Теперь он явился в виде Великой Светодиодной Ложи Лажи Лжи. Короче, все врут (с).

Шутки шутками, а в той или иной степени врут, наверное, все производители LED-светотехники. Кто-то нагло и откровенно, кто-то так, слегка подвирает – но так или иначе, кажется, нет ни одной фирмы, которая не завышала бы параметров своих изделий. Разными способами – кто-то просто пишет красивые цифры от фонаря, порой запредельные с точки зрения здравого смысла. А кто-то – просто пишет характеристики вполне правдивые, но полученные в условиях, далеких от реальных условий эксплуатации. Например, световой поток, измеренный при температуре 25°С в импульсном режиме. Так или иначе, а 15-20% «припуска на вранье» давать придется.

Освещенность измерить просто, световой поток – сложно и дорого. Необходимо собрать весь свет, испущенный лампой и в равной степени учесть лучи по всем направлениям. То есть, нужен фотоприемник в виде полой сферы с одинаковой светочувствительностью каждого участка ее поверхности. Изготовление такой фотометрической сферы и ее последующая калибровка – задача весьма непростая.

Другой подход – по точкам промерить диаграмму направленности источника света и проинтегрировать по всей сфере. Но и это непросто: надо иметь солидных размеров темное помещение с темными стенами. И гониометрическая головка с двумя осями нужна, желательно с автоматическим приводом, чтобы не задолбаться вручную выставлять углы для каждой из нескольких сотен точек.

Впрочем, есть пара частных случаев, которые часто встречаются на практике и для которых можно ограничиться одним измерением. Об одном из них я и хочу поведать хабрасообществу.

Этот частный случай – плоский косинусный излучатель. Косинусным называется такой излучатель, яркость которого не зависит от угла между нормалью к его поверхности и направлением на наблюдателя. Диаграмма направленности такого излучателя определяется исключительно геометрией – а именно видимой площадью поверхности. И для плоского косинусного излучателя существует простое соотношение между световым потоком и силой света в направлении нормали к плоскости:

.

То есть достаточно измерить люксметром освещенность в метре от источника света и умножить ее на 3,14 – и мы уже имеем величину светового потока (либо, если расстояние не равно метру, его придется учесть по закону обратных квадратов). Разумеется, источник света должен быть много меньше расстояния до люксметра – иначе закон обратных квадратов работать не будет и результат измерения будет завышен.

Какие же источники света можно с достаточной для практики точностью считать плоскими косинусными излучателями? Это практически любые белые осветительные светодиоды без линзы и плоские сборки на их основе. Всевозможные китайские 5730, 2835, 5050, 3030 и прочие, что встречаются обычно в светодиодных лампах с алиэкспресса, а также продаются там же отдельно в катушках за копейки – это оно. А также матрицы. И китайские квадратные на 10 ватт, и Cree CXA и CXB. А вот для любых светодиодов с линзой, а также для светодиодов без люминофора (например, RGB) такой метод не годится — их диаграмма направленности существенно отличается от косинусной. Плоские светильники, встраиваемые в потолок и закрытые молочным стеклом, также неплохо соответствуют этой модели.

Итак, давайте уже что-нибудь измерим. В качестве подопытных кроликов у нас сегодня:

1. Сборка китайская на 90 ватт из 156 светодиодов 5730 (в каждом по два кристалла 13х30 mil) со встроенным драйвером на CYT3000B. По заверениям китайцев, должна давать 9200 лм.

Потребляемая мощность по приборам — 85 Вт, на ней и остаемся.

2. Матрица CXA2530, новая версия, 3000 кельвин, Ra>80. Световой поток при 800 мА и 85°С согласно даташиту — не менее 3440 лм, а при 25°С (такой температуры не бывает, если только не захолодить сам светодиод до температуры ниже нуля — тепловое сопротивление не даст) — не менее 4150 лм.

Заводим на токе 800 мА, потребляемая мощность составила 28,64 Вт.

3. HPR20D-19K20 — древняя, как мамонт (покупалась году в 2010, если не раньше) матрица на 20 ватт фирмы HueyJann, похожая на нынешние 10-ваттные матрицы, отличается от них большим количеством кристаллов под люминофором — их 16 штук вместо девяти (4 штуки последовательно в каждой из четырех параллельно включенных цепочек). Заявлено 1830 лм при токе 1,7 А, реально на глаз не ярче, чем CXA2011 с подводимой мощностью 11 Вт.

Запускаем на паспортном токе 1,7 А, напряжение составило 12,2 В, мощность 20,74 Вт.

Освещенность измеряем люксметром UT382 (Uni-T), на «глазок» которого надеваем бленду из черной бумаги, чтобы не ловил отраженный от стен свет в неподготовленном помещении. Расстояние во всех случаях — метр. Результаты в таблице.

Выходит, что световой поток китайской сборки соответствует заявленному (в пределах погрешности люксметра), у Cree’шной матрицы тоже все в пределах даташита (учитывая, что температура ее неизвестна), а вот у HueyJann’овской матрицы обещанных люменов нет и близко.

Но что-то затерзали меня смутные сомнения: 9000 с хвостиком люмен при 85 ваттах, учитывая КПД драйвера 80% и при том, что светодиоды работают далеко не в облегченном режиме, по полватта на корпус, а пиковый ток вдвое больше среднего (никакого фильтрующего конденсатора у этих плат нет) — это очень даже круто. Вдобавок как-то не видно от этой сборки значительно большей освещенности в комнате по сравнению с люстрой, в которой пять лампочек по 950 лм (энергосберегайки).

Подозрение падает на люксметр — не все из них адекватно измеряют светодиодные источники. Те из них, что сделаны на базе фотодиода BPW21R, имеют очень приблизительное соответствие спектральной чувствительности стандартной кривой видности, и относительная чувствительность к излучению 450 нм (это длина волны, соответствующая синему пику, имеющемуся в спектре почти всех белых светодиодов) превышает относительную чувствительность глаза в этой области в несколько раз. В данном приборе фотоприемник другой, что и являлось одним из критериев при выборе прибора, но все же сходим в охрану труда и возьмем другой люксметр. Это оказался ТКА-Люкс. В его методике поверки содержится проверка спектральной характеристики, то есть она должна соответствовать кривой видности с нормируемой погрешностью. Повторяем измерения с ним. Вот результаты:

Ну что тут сказать? Врут не только производители светодиодных ламп, но и мой люксметр. Причем врет, как и ожидалось, по-разному для разных светодиодов. Для матрицы CXA2530 разница с профессиональным аппаратом минимальная, скорее в пределах погрешности обоих приборов. Но у этой матрицы провал в спектре почти незаметен, если смотреть через компакт-диск (реально он, конечно, есть). А вот остальные подопытные «провалились» прилично. И теперь прекрасно видно, что до заявленных люменов они не дотягивают более чем заметно: китайская 90-ваттная сборка — на 25%, а матрица HPR20D-19K20 — почти вдвое.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

Если вам захочется таким же образом оценить световой поток светодиодной лампочки с полусферическим рассеивателем, нужно снять рассеиватель. Под ним скорее всего будут вполне подходящие светодиоды. Но сам рассеиватель вносит потери 15-20 и более процентов светового потока.

Да, и последнее. Описанная методика ни в коей мере не является ни метрологически строгой, ни точной. Она оценочная и не более того. Именно поэтому я не привел здесь анализа погрешностей.

Источник

Что представляет собой световой поток и в чем он измеряется?

Вопрос, в чем измеряется световой поток, стал иметь значение для пользователей осветительных приборов только тогда, когда появились виды ламп, яркость которых не равнялась потребляемой мощности, измеряемой в ваттах.

Разберемся, как связано понятие яркости с понятием освещенности, а также как можно представить распределение потока света по помещению и правильно выбрать подходящий осветительный прибор.

Что такое световой поток?

Поток света – это мощность светового излучения, видимого глазом человека; световая энергия, излучаемая поверхностью (светящейся или отражающей лучи). Энергия светового потока измеряется в люмен-секундах и соответствует потоку 1 люмен, излучаемому или воспринимаемому за 1 секунду. Этот показатель описывает полный поток, не учитывая сосредоточивающую эффективность всего прибора. Такая оценка включает также рассеянный, бесполезный свет, поэтому одно и то же количество люменов может оказаться у разных по конструкции источников.

Следует различать световую величину и энергетическую – последняя характеризует свет независимо от его свойства вызывать зрительные ощущения. Каждая фотометрическая световая величина имеет аналог, который можно выразить количественно в единицах энергии или мощности. Для световой энергии таким аналогом является энергия излучения (лучистая энергия), измеряемая в джоулях.

Единица измерения светового потока

1 люмен – это свет, излучаемый источником с силой света в 1 канделу в пределах телесного угла в 1 стерадиан. 100-ваттная лампа накаливания создает поток света, примерно равный 1000 люменов. Чем ярче источник света, тем больше люменов он излучает.

Кроме люменов есть другие единицы измерения, позволяющие охарактеризовать свет. Можно измерить пространственную и поверхностную плотность потока – так мы узнаем силу света и освещенность. Сила света измеряется в канделах, освещенность – в люксах. Но для потребителя важнее разобраться, в каких единицах указывают яркость лампочек и прочих осветительных приборов при продаже. Некоторые производители сообщают количество люменов, деленных на ватт. Так измеряется световая эффективность (светоотдача): сколько света лампа выдает, затратив 1 ватт.

Определяющие формулы

Поскольку любой источник света излучает его неравномерно, число люменов не дает полной характеристики осветительного прибора. Вычислить силу света в канделах можно, разделив его поток, выраженный в люменах, на телесный угол, измеряемый в стерадианах. Используя эту формулу, удастся учесть совокупность лучей, идущих от источника, когда они пересекают поверхность воображаемой сферы, образуя на ней круг.

Но возникает вопрос, что дает на практике число кандел, которое мы найдем; найти подходящий светодиод или фонарь только по параметру силы света невозможно, нужно учитывать еще соотношение угла рассеивания, зависящего от конструкции прибора. Выбирая лампы, равномерно светящие во все стороны, важно понять, подходят ли они для целей покупателя.

Если раньше лампочки в разные помещения подбирали, ориентируясь на количество ватт, то перед покупкой светодиодных ламп придется посчитать их суммарную яркость в люменах, а потом разделить эту цифру на площадь комнаты. Так вычисляется освещенность, которая измеряется в люксах: 1 люкс – это 1 люмен на 1 м². Существуют нормы освещенности для помещений разного назначения.

Измерение светового потока

Перед тем как выпустить продукцию на рынок, производитель делает в лабораторных условиях определение и измерение характеристик осветительного прибора. В домашних условиях, не имея специальных приборов, это сделать нереально. Но проверить цифры, указанные производителем, можно с помощью вышеприведенных формул, воспользовавшись компактным люксметром.

Сложность точного измерения параметров света заключается в том, что он исходит во всех возможных направлениях распространения. Поэтому лаборатории используют сферы с внутренней поверхностью, которая имеет высокий коэффициент отражения – сферические фотометры; применяют их и для измерения динамического диапазона фотоаппаратов, т.е. светочувствительности их матриц.

В быту больше смысла имеет измерять такие важные параметры света, как освещенность помещений и коэффициент пульсации. Высокий коэффициент пульсации и тусклое освещение заставляют людей чрезмерно напрягать глаза, что быстрее вызывает усталость.

Коэффициент пульсации потока света – это показатель, характеризующий степень его неравномерности. Допустимые уровни этих коэффициентов регулируются СанПиН.

Не всегда можно заметить невооруженным глазом, что лампочка мерцает. Тем не менее даже незначительное превышение коэффициента пульсации влияет на центральную нервную систему человека негативно, а также уменьшает работоспособность. Свет, который может неравномерно пульсировать, излучают все экраны: мониторы компьютеров и ноутбуков, дисплеи планшетов и мобильных телефонов, экран телевизора. Пульсацию измеряют люксметром-пульсметром.

Что такое кандела?

Еще одной важной характеристикой источника света является кандела, входящая в 7 величин Международной системы единиц (СИ), принятых Генеральной конференцией по мерам и весам. Изначально 1 кандела равнялась излучению 1 свечи, принятой за эталон. Отсюда и возникло название этой единицы измерения. Сейчас ее определяют по специальной формуле.

Кандела – это сила света, измеряемая исключительно в заданном направлении. Распространение лучей на часть сферы, очерченную телесным углом, позволяет вычислить величину, равную отношению светового потока к этому углу. В отличие от люменов эта величина используется для определения интенсивности лучей. При этом не учитывается бесполезный, рассеянный свет.

У карманного фонаря и потолочного светильника световой конус будет разным, так как лучи падают под разным углом. Канделы (точнее, милликанделы) используют для обозначения силы света источников с направленным свечением: индикаторных светодиодов, карманных фонариков.

Люмены и люксы

В люменах измеряется величина потока света, это характеристика его источника. То количество лучей, которое добралось до какой-либо поверхности (отражающей или поглощающей), уже будет зависеть от расстояния между источником и этой поверхностью.

Уровень освещенности измеряется в люксах (лк) специальным прибором – люксметром. Самый простой люксметр состоит из селенового фотоэлемента, преобразующего свет в энергию электрического тока, и стрелочного микроамперметра, измеряющего этот ток.

Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента отличается от чувствительности человеческого глаза, поэтому в разных условиях приходится использовать поправочные коэффициенты. Самые простые люксметры предназначены для измерения какого-то одного типа освещенности, например, дневного света. Без использования коэффициентов погрешность может составлять более 10%.

Люксметры высокого класса оснащаются светофильтрами, специальными насадками сферической или цилиндрической формы (для измерения пространственной освещенности), приспособлениями для измерения яркости и контрольной проверки чувствительности прибора. Их уровень погрешности – около 1%.

Плохая освещенность помещений способствует развитию близорукости, плохо сказывается на работоспособности, вызывает усталость, снижение настроения.

Минимальная освещенность поверхности компьютерного стола по СанПиН – 400 люкс. Школьные парты должны иметь освещенность не менее 500 люкс.

Люмен и ватт

Энергосберегающие лампы при той же светоотдаче потребляют в 5-6 раз меньше электрической энергии, чем лампы накаливания. Светодиодные – в 10-12 раз меньше. Мощность светового потока уже не зависит от количества ватт. Но производители всегда указывают ватты, так как использование слишком мощных лампочек в не предназначенных для такой нагрузки патронах приводит к порче электроприборов или короткому замыканию.

Если расположить самые распространенные виды лампочек в порядке возрастания светоотдачи, можно получить такой список:

Но большинство людей привыкли при покупке лампочек смотреть на количество ватт, указанное производителем. Чтобы подсчитать, сколько нужно ватт на квадратный метр, сначала стоит определиться, насколько ярким должен быть свет в помещении. 20 ватт лампы накаливания на 1 м² – такое освещение подойдет для рабочего места или гостиной; для спальни будет достаточно 10-12 ватт на 1 м². При покупке энергосберегающих ламп эти цифры делят на 5. Важно учесть и высоту потолка: если он выше 3 м, общее количество ватт следует умножить на 1,5.

Источник

Понятие и способы измерения светового потока

Для определения количества света на квадратный метр площади используется понятие световой поток. Величина измеряется в люменах и позволяет уточнить, сколько света выдает отдельная лампа или система освещения.

Что такое световой поток

Соотношение мощности лампы со светоотдачей

Под потоком света понимается мощность излучения, которое может увидеть человек или световая энергия, поступающая от поверхности (свечение или отражение луча). Полный поток без учета сосредоточенной эффективности приборов, но с учетом бесполезного света, замеряется в люмен-секундах.

Световая величина не является аналогом энергетической, характеризующей свет без зрительных ощущений. Световая, или лучистая энергия может измеряться в джоулях. Единица измерения светового потока – люмен, что значит свечение от одного источника с силой 1 кандела. Телесный угол в данном случае составляет 1 стерадиан.

Количество люменов излучения зависит от яркости источника.

Как освещенность связана со световым потоком

Освещенность и световой поток – разные, хотя и сходные понятия. Измерение освещенности производится в люксах, а не люменах. 1 люкс означает попадание 1 люмена на 1 м2 участка.

Для наглядности можно сравнить силу и давление. Используя небольшую иголку и прилагая минимум силы, создается высокий коэффициент удельного давления для конкретной точки. Аналогичным образом световой слабый поток может освещать отдельную зону.

Взаимодействие потока света и освещенности легко понять на примере настольной лампы со световым потоком 1000 Лм. Чтобы освещение было полноценным, ориентируются на нормативы СНиП 52.13330. Для рабочего места применяется значение 350 Люкс, для произведения манипуляций с мелкими деталями – 500 Люкс. На освещенность также влияет отдаления источника света, расцветка посторонних предметов, наличие зеркала или окна. То есть, стол рядом с белой стеной получит больше люксов, чем стол, стоящий у темной.

Для замера освещенности используйте прибор-люксметр или приложение-измеритель на смартфоне.

Отличие освещенности от светового потока

Спектральная эффективность светового потока

Освещенность – это поверхностная плотность при попадании светового потока на участок. В условиях горизонтальной плоскости поверхность освещается при горизонтали. Для обозначения величины используется литера Е. Рассчитать параметры освещенности (Люксы) можно по формуле Е = Ф/S, где:

Разница между физическими величинами – 1 люкс равняется 1 люмену на м2 площади освещения.

Для определения освещенности понадобится соотнести световую силу с расстоянием до конкретного участка. Когда свет падает под прямым углом на поверхность, площадь светового потока меньше. При увеличении угла процент освещенности уменьшается.

Меньше света попадет на объект, расположенный вдали от источников излучения.

Нормы освещения помещений по использованию (СНиП)

Норма освещенности обязательно учитывается при обустройстве административных, образовательных, досуговых учреждений, бытовых предприятий, торговых объектов, жилых домов, придомовых территорий, гостиниц, предприятий, а также пешеходно-автомобильных зон в городах и селах.

При подборе осветительной системы руководствуются документами СНиП 23-05-95 от 1995 г. и его обновленной версией СП 52.13330 от 2011 г. для естественных и искусственных источников света.

Освещение в офисе

От уровня освещения будут зависеть стрессоустойчивость, концентрация внимания, умственная деятельность персонала. Ознакомиться с нормативными требованиями можно в таблице.

Интенсивность освещенности на производстве

Для определения показателя принимается во внимание зрительная нагрузка.

Освещение на складах

Интенсивность источников света зависит от типа хранения и разновидности ламп.

Параметры освещения в жилых домах и досуговых центрах

Для кабинета, бильярдной, библиотеки стандартная высота стола – 0,8 м от линии пола.

Указанные нормы принимаются во внимание при обустройстве электропроводки и установке осветительных приборов.

Расчет светового потока

Лампа LED D60х108мм Матовая колба 320º 1600Лм A60 23229, Gauss

Для вычисления светового потока можно применить специальный измерительный прибор или ориентироваться на показатель светоотдачи в зависимости от потока:

Эффективность метода зависит от интенсивности светового потока в лампе, норм освещенности, коэффициентов запаса (чистота объекта и тип источника), использования светопотока, поправочного, количества светильников, площади комнаты. При расчетах также ориентируются на конструкцию устройства, наличие защитного покрытия.

Погрешность теоретических вычислений составляет около 30%.

Сила света

Под силой света понимают величину светового потока, разделенную на телесный угол, в пределах которого он находится. Если световой луч установить в качестве объема, сила будет пространственной плотностью. Показатель измеряется в канделах (Кд).

Канделой называется единица измерения силы света, которую имеет пульсация восковой свечи. Она равна 1/683 Вт при частоте от 540 до 1012 Гц, что соответствует зеленому оттенку. 1 кандела совпадает с 1 люменом только при условии распространения светового луча под конусным углом 65 градусов. Милликанделы применяют для обозначения прибора направленного действия – индикаторных светодиодов, небольших фонариков.

Ватты и люмены

До недавнего времени при выборе лампочек ориентировались на мощность, или количество ватт. Чем оно больше, тем выше лучше было освещение. Сейчас обозначение качества освещения производится в люменах.

Но Ватт нельзя просто перевести в Люмен, поскольку первое обозначение – мощность, а второй – объем световых лучей источников. Для трансформации требуется знать светоотдачу (лм/Вт), а также тип лампы, эффективность светоотражателя, потери при наличии рассеивателя, процент утечки светового потока.

Если хотите сэкономить, замените лампочку накаливания 1000 Вт на люминесцентный (25-30 Вт) или светодиодный (12-15 Вт) прибор.

Как и в чем измеряется световой поток

Световая величина – СП измеряется в люменах. Один люмен аналогичен СП изотропного источника света с силой 1 канделу и углом 1 стерадиан.

На производстве для замеров используют специальные приборы. Этот метод позволяет точно определить СП:

Калибровка люксметра осуществляется в абсолютных показателях: 1 лм/м2 равняется 1 лк.

Обычному человеку, выбирая светильник или лампу, не обязательно углубляться в точную систему измерений. Заменяя прибор накаливания на галогенный, стоит помнить, что ватты – это не люмены. Первые используются для определения мощности, вторые – от освещенности, а при эксплуатации стандартная лампа теряет 15 % яркости, люминесцентная – 30 %, светодиодная – от 5 до 10 %.

Источник