Systemy oświetleniowe - Parametry oświetlenia

PODSTAWOWE PARAMETRY OŚWIETLENIA

Podstawowymi parametrami oświetleniowymi są:

– strumień świetlny Φ, wyrażany w lumenach [lm],
– światłość I, wyrażana w kandelach [cd],
– natężenie oświetlenia E, wyrażane w luksach [lx],
– luminancja L, wyrażana w kandelach na metr kwadratowy [cd/m2].

Spójrzmy na schematyczny rysunek 1. Strumień świetlny jest całkowitą mocą światła emitowanego przez źródło (lampę). Światłość określa ilość światła wysyłanego w konkretnym kierunku. Przy pomocy światłości tworzy się krzywe rozsyłu oprawy oświetleniowej. Natężenie oświetlenia jest z kolei tą ilością światła, która wysłana ze źródła dociera do powierzchni pracy. To światło, które odbije się od powierzchni i dotrze do oka obserwatora, nazywamy luminancją. Ogólnie luminancja jest ilością światła wysyłanego z określonej powierzchni. Luminancję ma wszystko, co widzimy. Również źródło światła ma luminancję, gdyż światło wysyłane jest zawsze z konkretnej powierzchni, czasami bardzo małej. Różnica jest tylko taka, że jest to duża luminancja, która razi oczy, i mówimy wtedy o zjawisku zwanym olśnieniem.

Jak widać, dwa pierwsze parametry związane są ze źródłem światła, kolejny z samym światłem, a ostatni, de facto, z odbiorcą światła. Na pierwszy rzut weźmiemy więc

STRUMIEŃ ŚWIETLNY

Parametrem określającym całkowitą moc światła emitowanego z danego źródła jest strumień świetlny. Wielkość tę wyprowadza się ze strumienia energetycznego (moc wysyłana, przenoszona lub przejmowana w postaci promieniowania, tzw. moc promienista) na podstawie stopnia jego oddziaływania na oko normalnego obserwatora (odniesieniowego). Podarujmy sobie jednak wzorek – jeśli ktoś będzie go potrzebował, znajdzie w literaturze fachowej. Dodać należy, ze strumień świetlny jest to tylko część promieniowania optycznego, emitowanego przez źródło światła, którą widzi oko ludzkie w jednostce czasu. Na przykład żarówka emituje, oprócz promieniowania widzialnego, widocznego dla oka, dużą ilość promieniowania podczerwonego, czyli cieplnego. Podobnie jest z żarówką halogenową, która oprócz promieniowania widzialnego emituje zarówno promieniowanie podczerwone, jak i nadfioletowe – oba niewidoczne dla naszego oka.

Co ciekawe, podobnie jak to jest z uchem ludzkim, dla którego wyznaczone są charakterystyki jego czułości w zależności od częstotliwości i poziomu docierającego doń dźwięku, również dla ludzkiego oka wyznaczono krzywą czułości widmowej oka. Została ona (w postaci znormalizowanej) przedstawiona na rysunku 2.

Przyglądając się uważnie wykresowi z rysunku 2 możemy zauważyć, iż najlepiej i najwyraźniej postrzeganym jest kolor zielony. Dzięki temu wyjaśnia się kwestia, dlaczego łatwiej jest uzyskać mocniejsze źródła światła emitujące kolor zielony, niż np. czerwony – moc obu źródeł i ich sprawność może być dokładnie taka sama, ale nasze oko postrzega zielony znacznie lepiej, niż czerwony. W odniesieniu do źródeł światła strumień świetlny oznaczany może być symbolem ?źr. Natomiast moc światła wysyłanego przez oprawę określa strumień świetlny oprawy ?opr.

Skoro poruszyliśmy temat oprawy – wiadomo bowiem, że rzadko kiedy stosujemy „gołe”, wszechkierunkowe źródła światła – wspomnieć należy o parametrze zwanym

SPRAWNOŚĆ OPRAWY

Parametr ten określa jaka część strumienia świetlnego źródła światła po przetworzeniu jest wysyłana przez oprawę, i jest to stosunek strumienia świetlnego oprawy do strumienia świetlnego źródła światła. Wróćmy jednak do parametrów źródła. Czas na

ŚWIATŁOŚĆ

Jest to gęstość kątowa strumienia świetlnego źródła światła w danym kierunku. Określa ona więc ilość światła wychodzącego ze źródła światła lub oprawy w ściśle określonym kierunku. Aby przedstawić, jakim rozsyłem światła charakteryzuje się źródło bądź oprawa, dokonywane są pomiary światłości w różnych kierunkach. Po przeliczeniu uzyskanych wyników na wartości, jakie uzyskałoby się przy zastosowaniu źródeł światła o łącznym strumieniu 1.000 lm, tworzona jest krzywa światłości oprawy (rysunek 3). Przeliczenie na 1.000 lm umożliwia porównanie krzywych światłości tworzonych dla opraw z różnymi źródłami światła.

Oprócz krzywej światłości wykorzystuje się też czasem parametr zwany kątem rozwarcia wiązki ß. Jest to kąt w płaszczyźnie przechodzącej przez oś wiązki, w zakresie którego światłość spada do określonej wartości procentowej swojej maksymalnej wartości, np. do 50% Imax.

Przyglądając się bliżej parametrowi „światłość” dochodzimy do wniosku, iż taki sam strumień świetlny, emitowany w węższym obszarze (a więc skupiony, np. za pomocą soczewki), generuje większą światłość. Jest on szczególnie często zauważalny w przypadku kiedy na diodę LED, emitującą promieniowanie w szerokim kącie, nałoży się soczewkę skupiającą, która zawęża kąt emisji. Dzięki temu uzyskujemy z jednej strony mniejszą plamę świetlną, natomiast z drugiej – wzmacniamy efekt świetlny. Kolejnym przykładem jest umieszczenie żarówki w reflektorze. Weźmy dla przykładu znany chyba wszystkim reflektor samochodowy. Mając standardową żarówkę samochodową o strumieniu świetlnym 1.100 lm (co daje 87,6 cd), umieszczając ją w reflektorze możemy uzyskać światłość rzędu 50.000 cd!

Kolejnym parametrem stosowanym w technice świetlnej jest

NATĘŻENIE OŚWIETLENIA

Jest to gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego padającego na daną płaszczyznę, czyli jest to stosunek strumienia świetlnego padającego na płaszczyznę do pola jej powierzchni. Inaczej mówiąc, natężenie oświetlenia jest to ilość światła padająca na powierzchnię, liczona w konkretnym punkcie. Natomiast

LUMINANCJA

Jest to fizyczna miara jaskrawości. Zależy ona od natężenia oświetlenia na obserwowanym obiekcie, właściwości odbiciowych powierzchni obiektu (barwa, stopień chropowatości) oraz od jego pola pozornej powierzchni świecącej. Pozorna powierzchnia świecąca jest to wielkość postrzeganej przez obserwatora powierzchni płaszczyzny świecącej, uzależniona od kierunku jej obserwacji. Pozorna powierzchnia świecąca jest to zarówno płaszczyzna świecąca w sposób bezpośredni (np. oprawa oświetleniowa), jak i płaszczyzna świecąca w sposób pośredni, np. ściana, przez odbicie światła. Oko ludzkie widzi powierzchnię, na którą pada światło. Odbija się ono od niej i trafia do oka obserwatora. Tak więc powierzchnia wysyłająca światło ma określoną luminancję, którą widzi człowiek. Ciekawym parametrem stosowanym w oświetleniu jest

WSKAŹNIK ODDAWANIA BARW (CRI)

Jest on miarą stopnia zgodności wrażenia barwy przedmiotu oświetlonego danym źródłem światła z wrażeniem barwy tego samego przedmiotu oświetlonego odniesieniowym źródłem światła, w określonych warunkach. Maksymalna możliwa wartość tego wskaźnika wynosi 100. Przyjmuje się ją dla światła dziennego i większości źródeł żarowych. Wartości zbliżone do 100 charakteryzują najlepsze właściwości oddawania barw. Im wyższe jest wymaganie dotyczące właściwego postrzegania barw, tym wskaźnik oddawania barw powinien być większy.

INNE PARAMETRY

Z innych parametrów, o których warto również wspomnieć, są: skuteczność świetlna i trwałość użyteczna. Trwałość użyteczna jest określana najczęściej czasem świecenia źródła światła do chwili, kiedy wartość jego strumienia świetlnego zmniejszy się o 20 ÷ 30 % w stosunku do wartości początkowej. Natomiast

SKUTECZNOŚĆ ŚWIETLNA

jest to stosunek strumienia świetlnego, emitowanego przez źródło światła do pobieranej przez nie mocy. Jednostką skuteczności świetlnej jest lm/W.

Parametr ten jest najczęściej wykorzystywany do porównywania źródeł światła bądź określenia, w jaki sposób można zastąpić jedno źródło innym, np. iloma diodami LED można zastąpić standardową, 100-watową żarówkę? Owszem, możemy przyrównać całkowite strumienie świetlne żarówki i diody, a następnie wyznaczyć ile diod daje taki strumień świetlny jak żarówka. Jednak dalej nic nam to nie powie o wydajności zarówno diody, jak i żarówki, ani nie będziemy wiedzieć, czy taka zamiana się opłaca. Skuteczność świetlna określa wartość strumienia świetlnego przekształcanego z jednego wata pobranej mocy elektrycznej. Żarówka, jako jedno z najmniej wydajnych źródeł światła, ma skuteczność świetlną rzędu 10 lm/W, natomiast najnowsze diody mocy o temperaturze barwowej zbliżonej do „żarówkowej” (ok. 3.200 K) charakteryzują się skutecznością świetlną rzędu 80 lm/W. Po przemnożeniu skuteczności świetlnej przez pobieraną moc otrzymujemy całkowity strumień świetlny danego źródła:

Żarówka (100 W):

Φ =10lm/W x 100W = 1000lm

Dioda (1,2 W):

Φ_LED = 80lm/W x 1,2W = 96lm

 

Oznacza to, że 10-11 diod LED może z powodzeniem zastąpić żarówkę 100 W (rysunek 4). Tego samego dowiedzielibyśmy się porównując sam strumień, natomiast tutaj wiemy również, że dioda jest prawie dziesięć razy bardziej wydajna. Oczywiście w przypadku oświetlenia konkretnego podłoża czy przedmiotu takie porównanie jest przybliżone, ponieważ żarówka świeci prawie we wszystkich kierunkach (oprócz gwintu oprawki), natomiast dioda jest bardziej ukierunkowana, co daje zdecydowanie więcej światła skierowanego w stronę oświetlanej powierzchni.

W tabeli poniżej, dla przykładu, pokazano skuteczność świetlną wybranych źródeł światła.

 

Kończąc ten odcinek jak zwykle zapraszam na kolejny, już (albo „aż”) za miesiąc.

Jacek Sitarski

---

Zawodowo Jacek Sitarski zajmuje się szeroko pojętą optyką, a jego pasją jest współczesne oświetlenie architektoniczne i teatralne. Kontakt poprzez redakcję: redakcja@livesound.pl