Светодиодный свет для чайников
Как ни верти, а придется вначале коснуться законов обычного электричества. В наглядных примерах, конечно 🙂 Все мы знаем — что такое 220 вольт — это то, что может как следует стукнуть, если не соблюдать меры предосторожности. Когда вы покупаете электроприбор, например, утюг — в паспорте написано, на какое напряжение он рассчитан. Обычно это 220 вольт. Но в этом же паспорте еще указаны такие параметры — переменное напряжение с частотой 50 герц. Зачем-то же производители упорно указывают эти параметры для вас ? Возьмите в руки любой технический паспорт на электроприбор и посмотрите — там указано, что напряжение питания должно быть — ~ 220 вольт, 50 Гц. Давайте разберемся — что это такое. Значок «~» означает, что напряжение должно быть переменным. В автомобильной бортовой сети, например, напряжение постоянное. И у пальчиковой батарейки оно постоянное. Разница простая — у постоянного напряжения есть плюс и минус — у переменного нет. А почему нет ? Все очень просто. В сети с переменным напряжением плюс и минус постоянно меняются местами. Один и тот же контакт — то плюс, то минус. Как часто ? А вот для этого и существует еще одно значение — 50 Гц. Что такое Гц ? Это одно колебание в секунду. То есть в нашей домашней сети плюс меняется с минусом пятьдесят раз в секунду. А теперь — какая практическая польза от этих знаний, какое это имеет оношение к светодиоду? Давайте разбираться. Предположим, у вас в руках лампочка на 220 вольт 100 ватт. Если вы ее включите в электрическую сеть — она засветится на все свои сто ватт. А если нам не нужны эти 100 ватт ? А нужно, скажем, 50 Вт ? В этом нам поможет ДИОД.
Если разбить слово «светодиод» на составляющие, то мы получим «свето» и «диод«. То есть это обычный диод, который еще и светится. Диод — это такой прибор, который лучше всего сравнить, например, с клапаном или ниппелем в автоколесе. Туда вы можете закачать воздух, а обратно — ниппель не пускает. Обычный диод выглядит как черный бочонок с двумя выводами — плюсом и минусом. Вот его мы и можем использовать для практических опытов, которые многим помогают закрепить материал. Конечно, опасно начинать опыты сразу с 220 вольтами, но при должной осторожности ничего страшного не произойдет. Тем не менее, все опыты вы проводите на свой страх и риск 🙂 Нам понадобится лампочка от холодильника на 220в, 15 Вт. Для нее нужно найти подходящий патрон и вывести из него два провода. Затем нам понадобится любой дио д, который можно добыть, например, из любого неисправного телевизора или магнитофона. Чем больше он будет размером — тем лучше. Совсем маленькие брать не надо — 220 вольт все-таки. Возле него обычно есть обозначение в виде треугольника.
Затем нам понадобится сетевой шнур с вилкой, некоторое количество проводов и паяльник. Для начала просто подсоедините лампочку к сети и запомните — как она светится. Затем отсоедините и соберите цепь по схеме слева. Не забудьте тщательно заизолировать изолентой все соединения. Включайте в розетку. Как видите, лампочка светит гораздо хуже. Это и неудивительно — она теперь получает только половину нужного ей напряжения — вторую диод не пускает. Если опыт у вас удался, а диод достаточно большой — вы теперь можете сделать любую свою лампочку пратически вечной. Например, светит у вас в коридоре лампа на 50 ватт и постоянно перегорает. Возьмите 100 ваттную, включите ее через диод — светить она будет примерно как 50 ватт, зато не будет перегорать. Есть, правда, один нюанс — диод должен быть расчитан на напряжение 350-400 вольт и ток не менее ампера. Лучше всего купить такой в магазине радиодеталей.
Ну, раз мы разобрались с тем, что такое диод, есть смысл перейти к интересующей нас теме — светодиоду. У светодиода, как теперь понятно, тоже есть плюс и минус. То есть для его работы нужен источник постоянного напряжения — аккумулятор, батарейка, блок питания. На блоке питания должно быть указано, что он выдает постоянное напряжение (DC). Обычно на крышке блока есть наклейка такого содержания.
Input — ~220V 50HZ,
output — 12v, 0,5 A DC
Это значит, что такой блок может выдать постоянное напряжение 12 вольт и ток 0,5 ампера.
Отметим, что зарядное устройство для сотовых телефонов — это тоже блок питания. Оно обычно имеет параметры 5-6 вольт, 0,2-0,5 А. Зачастую его очень удобно использовать для питания светодиодов, потому что зарядное устройство стабилизирует ток. Но об этом позже, в следующих статьях.
Нам важны два параметра — рабочее напряжение светодиода и ток. Рабочее напряжение светодиода называют еще «падением напряжения». В сущности, этот термин обозначает, что после светодиода напряжение в цепи будет меньше на размер этого самого падения. То есть если мы подадим питание на светодиод, у которого падение напряжения 3 вольта, то он эти три вольта сьест, и включенному после него в эту же цепь прибору достанется на 3 вольта меньше. Но самое главное, что нужно усвоить — светодиоду важен ток, а не напряжение. Напряжения он возьмет столько, сколько ему нужно, а вот тока — сколько дадите. То есть если ваш источник питания может выдать 10 ампер — светодиод будет брать ток, пока не сгорит. Логика тут простая — подключенный светодиод потребляет ток и начинает греться. Чем сильнее он греется — тем больше тока через него может пройти — он же от нагрева расширяется. Вместе с током растет падение напряжения на диоде. И так пока не сгорит совсем — ток-то никто не ограничил. А делать это надо обязательно, используя ограничивающий элемент.
Отметим, что если источник питания имеет выходное напряжение, равное рабочему напряжению светодиода — ток ограничивать необязательно. То есть если у вас есть, например, белый светодиод и аккумулятор на 3,6 вольт от сотового телефона — можете прямо к этому аккумулятору и подключить — ничего светодиоду не будет. Он и рад бы побольше тока хапнуть — а напряжения не хватает. Так что аккумулятор от сотового на 3,6 в — идеальный источник питания для экспериментов с белыми и синими светодиодами. Почему только с ними — об этом в других статьях.
В общем, последовательно со светодиодом нам нужно поставить этакий кран и закрутить его на нужное нам значение. В роли такого крана могут выступать разные приборы. Самый простой из них — резистор. Как правильно ограничить ток светодиода говорится в моей статье о подключении светодиодов в авто. А мы пойдем дальше. Правда, если вам неинтересно, как работает светодиод, а всего лишь хочется узнать о его практическом применении — лучше перейти в конец страницы и выбрать другую часть «Для чайников». Но если вы твердо намерены узнать о твердотельных источниках света «с азов» — продолжим знакомство 😉
Оптические аспекты использования светодиодов
«Существует достаточно света для тех, кто хочет видеть, и достаточно мрака для тех, кто не хочет»
Предположим, мы научились подключать светодиод и ограничивать его ток. Встает вопрос — а насколько сильно он светит ? Тут нам придется немного окунуться в оптику.
В числе свойств светодиодов, особенно мощных, часто указывается тип распределения света. Обычно это так называмая Ламбертовская диаграмма. Дальше мы ее и будем рассматривать как самую распостраненную. Что этот термин обозначает ? «Ламбертовский» светодиод светит во все стороны одинаково, независимо от направления. Если бы светодиод был шариком, он бы во все стороны светил одинаково — вот суть диаграммы Ламберта. Чтобы было понятно- солнце — это ламбертиановский источник. Стандартная конструкция светодиода — кристалл, тонкая пластинка, которая светится. Посмотрите в прозрачное окошко светодиода — и вы этот кристалл увидите. К нему идут тоненькие проволочки контактов. Если подключить воображение, то можно представить свет, идущий от светодиода, как сферообразное облако, висящее над ним. Свет — это же маленькие частички, называемые фотонами. Значит, над светодиодом висит шарик, наполненный фотонами. И чем больше света испускает светодиод — тем больше шарик, тем дальше летят фотончики, толкая и вытесняя друг друга. Больше всего их летит вверх перпендикулярно плоскости кристалла, поэтому максимальная сила света светодиодов — 90 градусов относительно горизонтальной оси. Надеюсь, теперь вам стали более понятны диаграммы, которые приводят производители светодиодов 🙂 Чтобы стали совсем уж понятны — давайте рассмотрим пример.
Примем, что есть светодиод, вверху которого висит излучаемая им световая сфера диаметром 1 метр (хор-роший светодиод ! :)).
Нижняя шкала — это расстояние до верхушки этого метра, верхняя — градус излучения. В соответствии с этой диаграммой больше всего фотонов — на оси с градусом 0. Чем дальше отклонение от оси и чем больше расстояние от кристалла — тем меньше плотность фотонов. Нужно также не забывать, что свет — это волна, не зря же для характеристик указывают длину волны. Соответственно, нашу световую сферу можно представить как электромагнитное поле с определенной плотностью. Но это уже дебри — пойдем дальше 🙂
Угол половинной яркости
Производитель обычно указывает такой параметр, как двойной угол половинной яркости. Что означает этот термин ? Как мы выяснили, максимум света светодиод дает в центре, то есть угол равен нулю. Соответственно, чем дальше от центра, тем меньше света. Угол половинной яркости — это когда на «0» градусов светодиод дает 100 условных единиц света, а, например, на 30 градусах (относительно оси «0») — 50. На рисунке I — сила света, Imax — максимальная сила света. ImaxCos — половина силы света. Почему «двойной» — умножаем градусы на два, светодиод же симметрично светит. В итоге мы получаем симпатичный равнобедренный треугольник света. За пределами этого треугольника тоже свет есть, но точка отсчета для характеристики светодиода — это половинный угол.
Кандела
Теперь можно рассмотреть, что же такое Кандела. Кандела — это, по старому, «свеча». Помните, раньше говорили — люстра или лампа в сто свечей ? В прежние времена нужна была какая-то точка отсчета. Договорились взять нужной толщины свечку, зажечь и считать ее эталоном, этим самым канделом. В наши времена, конечно, считают по-другому. Я не буду подробно объяснять — как, это за рамки статьи уже выходит. Просто есть единица измерения силы света, и она называется Кандела. Ее основная особенность — применение для измерения силы света направленных источников. Вот почему для 5 мм светодиодов значения указываются в канделах, точнее, милликанделах (1 cd=1000 mcd).
Пришло время разобраться, чем 5 мм светодиоды или любые другие в пластиковом корпусе отличаются от мощных.
Особенности конструкции индикаторных 5 мм светодиодов
Как уже говорилось выше, светодиод — это излучающий свет кристалл. Рассмотрим конструкцию светодиода в 5 мм пластиковом корпусе. При внимательном рассмотрении мы обнаруживаем две важных вещи — линзу и рефлектор. В рефлектор помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор и задает первоначальный угол рассеивания. Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы. Доходит до линзы — и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы. На практике — от 5 до 160 градусов. Для обозначения силы света таких светодиодов как раз и используется кандела. Светодиоды с направленным свечением излучают свет в некотором телесном угле. Чтобы понять, что такое телесный угол, достаточно представить следующую картину. Вы берете фонарик, включаете и помещаете его в пожарное ведро в самый низ, затем закрываете крышкой. Свет внутри, соответственно, имеет вид объемного конуса по форме нашего ведра. Вот этот конус, ограниченный крышкой — и есть телесный угол. Попробую объяснить смысл распределения света попроще. Допустим, сила света нашего фонаря — 1 кандела, то есть 1000 милликандел(чтобы было более образно, можно считать милликанделы фотонами :)) Если и дальше идти по аналогии, у нас есть полное ведро милликандел. Объем ведра при желании можно вычислить — добро пожаловать в геометрию 🙂 Соответственно, если мы возьмем ведро в два раза больше — милликанделы равномерно по нему распределятся, то есть больше их не станет, просто снизится плотность. Поэтому не гонитесь за канделами, когда выбираете светодиод — чем шире его угол, тем меньше кандел — у одного и того же. Во всех этих объяснения можно найти ответ на сакральный вопрос — сколько надо светодиодов, чтобы заменить стоваттную лампочку. Об этом — далее.
Особенности конструкции мощных светодиодов
В отличие от индикаторных светодиодов, мощные — это не только прибор, но и маркетиновый продукт. На сегодняшний день между крупными производителями происходит настоящая гонка за люмены — кто больше ? И никого не волнует, что люмены эти надо еще применить. Давайте по порядку.
Основное отличие мощного светодиода от индикаторного в чистом виде — сведение к минимуму каких-либо препятствий для выхода света из корпуса светодиода. Поэтому мощные светодиоды имеют ламбертовскую диаграмму. К чему это приводит на практике ? Вы включаете светодиод и получаете симпатичный световой шарик над ним. И что дальше делать ? Как им осветить нужную вам поверхность ? Очевидно, что нужно сделать поуже угол излучения. Вам приходится применять различную оптику или рефлекторы, что неизбежно ведет к потерям, а значит и снижению светового потока. Поэтому, если, купив мощный светодиод, вы не обзавелись хорошей оптикой, причем рассчитанной именно на его конструкцию — рано радуетесь — головная боль еще впереди. Доставить нужные вам люмены до поверхности, которую нужно осветить — непростая задача. Впрочем, если вам просто нужно осветить помещение — можно обойтись и без оптики — достаточно рассеивателя.
Люмен
Как вы уже поняли, канделы для оценки силы света мощных светодиодов не подходят. Для этого существуют люмены — это общее количество света, которе может дать светодиод при подключении с заданными значениями тока и напряжения. Помните аналогию про пожарное ведро ? Здесь она тоже подходит. Будем считать, что если светодиод имеет силу света 100 люмен — то в нашем ведре будет 100 люмен. Обычная электрическая лампочка на 100 Вт — это тоже ламбертовский источник. Средняя светоотдача этой лампочки — 10-15 люмен на ватт. То есть 100 ватт лампы накаливания дадут нам, скажем, 1000 люмен. Значит, чтобы заменить лампу 100 вт светодиодами, нужно 10 шт по 100 люмен. Вот так вот все просто ? Нет, к сожалению. Мы подходим к такому термину, как ЛЮКС.
Люкс
Люкс — это соотношение количества люмен и освещаемой площади. 1 люкс — это 1 люмен на квадратный метр. Допустим, у нас есть квадратная поверхность площадью один метр. Вся она равномерно освещена лампочкой, расположенной на некотором расстоянии отвесно сверху . Для этой лампочки производитель заявил освещенность 100 люкс. Берем прибор, называемый люксметр и померяем в любой точке нашего квадрата, мы должны получить 100 люкс. Если это так — производитель нас не обманул. Это касается источника света, который во все стороны светит одинаково (ламбертиановский источник ). Но светодиод наибольшую силу света имеет на оси, перпендикулярной плоскости кристалла. Иными словами, подвесив светодиод на потолок и померяв люксметром, мы увидим, что чем дальше от оси, тем меньше показания прибора. Все вы наверняка сталкивались с точечными лампами накаливания — это так называемые «зеркалки». Задняя часть колбы у этих ламп покрыта зеркальным составом, и светят они только вниз. Вот вам и аналог.
Особенности практического применения светодиодов — в следующей статье.
(с) Юрий Рубан, февраль 2009 г, http://led22.ru. Пожелания и замечания приветствуются на форуме http://ledway.ru или по электронной почте ruban@led22.ru
| Перевод милликандел (mcd) в люмены (lm) | Перевод люмен (lm) в милликанделы (mcd) |
Угол половинной яркости что это
В последнее время часто начал встречать фразу
«Угол половинной яркости, это угол, на котором сила света равна половине осевой». Интересует терминологически правильно ли построено это выражение? У меня сомнения вызвывает «угол половинной яркости» ведь яркость зависит от силы света и проекции площади источника света или рассеивателя.
на мой взгляд. Вопрос не только теоретический. К примеру светильник УСС в Дубовой роще имел наибольший размер из проверяемых, что при одинаковой силе света снижало его яркость в направлении глаз наблюдателя. Это хорошо было видно на выставке. Чем меньше световое отверстие светильника со светодиодами, тем дольше я приходил в себя после его рассмотрения
как я по чайнически понимаю,максимум света -по центру от источника ,соответственно это ноль градусов(ось).В сторону от оси ,например 50 градусов 1/2максимума (половина силы света относительно оси).Еще есть понятие «двойной угол половинной яркости».Мне кажется,двойной потому,что умножаем градусы на два, если источник света светит симметрично.Не утверждаю,но мне так представляется.
Administrator
Регистрация: 07.06.2008
Адрес: Воронеж
Сообщений: 977
Вес репутации: 522
Ответ: Угол половинной .
Немноо отсканировал на эту тему.
Изображения
| Mail0001-web.jpg (396.0 Кб, 58 просмотров) | |
| Mail0002.JPG (436.1 Кб, 40 просмотров) |
__________________
Воронеж «АВС-электро»
Регистрация: 05.12.2008
Адрес: Гомель
Сообщений: 723
Вес репутации: 455
Ответ: Угол половинной .
Сообщение от twkisa
Немноо отсканировал на эту тему.
Спасибо за инфу.
Вижу понятие угла, при котором освещенность уменьшается на 50 %.
и понятие угла, при котором сила света уменьшается на 50 %.
И эти углы разные.
Осталось найти понятие угла, при котором яркость уменьшается на 50 % (из области дисплеев и телевизоров прошу ссылки не приводить), и сопоставить это одинаковые понятия для осветительных приборов с понятием угла, характеризующимся силой света. (внутренне чувство подсказывает, что это различные понятия) Хотелось бы услышать мнение специалистов.
Регистрация: 17.06.2009
Сообщений: 619
Вес репутации: 722
Ответ: Угол половинной .
Есть понятие угла, соответствующего 0,5 от максимальной (чаще всего осевой) силы света. Или 0,1 от нее. Этими двумя углами чаще всего пытаются характеризовать степень «концентрированности» светового пучка. «Угол рассеяния» — это он и есть. Причем часто забывают указать, угол рассеяния соответствует все же 0,5 или 0,1 от максимальной силы света.
Что может характеризовать «угол половинной яркости», какой у него физический смысл? Слепящее действие? Так оно все равно является функцией многих переменных — все видимые ИС, фон и так далее. Ну, известен «угол половинной яркости», и что дает это знание? Мне параметр кажется вторичным (дублирующим то, что я написал) и потому бессмысленным.
Опровергните, если я неправ.
Регистрация: 05.12.2008
Адрес: Гомель
Сообщений: 723
Вес репутации: 455
Ответ: Угол половинной .
Сообщение от hobdm
Есть понятие угла, соответствующего 0,5 от максимальной (чаще всего осевой) силы света. Или 0,1 от нее. Этими двумя углами чаще всего пытаются характеризовать степень «концентрированности» светового пучка. «Угол рассеяния» — это он и есть. Причем часто забывают указать, угол рассеяния соответствует все же 0,5 или 0,1 от максимальной силы света.
Что может характеризовать «угол половинной яркости», какой у него физический смысл? Слепящее действие? Так оно все равно является функцией многих переменных — все видимые ИС, фон и так далее. Ну, известен «угол половинной яркости», и что дает это знание? Мне параметр кажется вторичным (дублирующим то, что я написал) и потому бессмысленным.
Опровергните, если я неправ.
Дмитрий, Я думаю прав.
првичный вопрос звучал так «Угол половинной яркости, это угол, на котором сила света равна половине осевой». Интересует терминологически правильно ли построено это выражение?
Регистрация: 17.06.2009
Сообщений: 619
Вес репутации: 722
Ответ: Угол половинной .
Сообщение от eis
Дмитрий, Я думаю прав.
првичный вопрос звучал так «Угол половинной яркости, это угол, на котором сила света равна половине осевой». Интересует терминологически правильно ли построено это выражение?
Я считаю, что это выражение неверно не только терминологически, но и принципиально.
Почему?
Во-первых. Разберем выражение. Есть осевая сила света. Так? Так. Есть где-то половина от нее. Ей (половине) соответствует некий угол. Супер. И это получается «угол половинной яркости»? Половинной от чего — от максимальной яркости или от яркости осевой? Если от максимальной, то это полнейший бред. Если от осевой, то это далеко не очевидно, надо проверять в зависимости от геометрической формы оптического отверстия. Если даже вдруг окажется, что при определенных условиях некая зависимость есть, то нафига нужен такой сложный параметр?
Во-вторых, выражение завязано на осевой силе света, а она, собственно, ничем не лучше любой другой. Имеет смысл ее выделять лишь в СП круглосимметричного или косинусного светораспределения, где осевая = максимальная, а все остальные связаны с ней определенной зависимостью. Тогда действительно, можно взять некий коэффициент, завязанный на максимум, и одной цифрой охарактеризовать кривую.
Ну и в-третьих. Зачем делать параметр, увязывающий 2 разных величины неочевидной связью, причем даже из определения параметра специалистам непонятен его смысл?
Резюме. Мне кажется, имеется в виду угол рассеяния, просто коряво названный. На бытовом уровне (для обычных людей) «яркость», «освещенность» и «сила света» — это все одно и то же, вот и объединили разные понятия в одной фразе. И В ЛЮБОМ СЛУЧАЕ выражение не тянет на общую зависимость, а раз так, не имеет право на жизнь в таком виде — без оговорок, ограничивающих его действие. Согласен?
Регистрация: 22.01.2009
Адрес: Россия
Сообщений: 881
Вес репутации: 415
Ответ: Угол половинной .
Сообщение от hobdm
Я считаю, что это выражение неверно не только терминологически, но и принципиально.
Вы правы! Если разложить «размазать» все по правилам через интегралы, то вопрос затронутый EIS не имеет определенного физического смысла. Предлагаю начать с определения источника исходного термина. Игорь, ссылку или несколько дайте!
__________________
Светотехник-инженер
Регистрация: 05.12.2008
Адрес: Гомель
Сообщений: 723
Вес репутации: 455
Ответ: Угол половинной .
Сообщение от KALAN
Вы правы! Если разложить «размазать» все по правилам через интегралы, то вопрос затронутый EIS не имеет определенного физического смысла. Предлагаю начать с определения источника исходного термина. Игорь, ссылку или несколько дайте!
Это один из ляпусов, которые встречаются в новых журналах «Полупроводниковая светотехника» и «Современная светотехника».
Но сначала, СПАСИБО, учредителям и руководителям проектов этих журналов за то, что они появились на свет.
Есть, действительно, познавательные и занимательные статьи, которые советую почитать всем. Мне особенно понравились, «Системы естественного освещения: основные критерии, примеры внедрения и расчета» (особая благордарность Валерию Манушкину за перевод этой статьи, журнал «Современная светотехника»), «Пилотный проект Samsung LED в Санкт-Петербурге» («Полупроводниковая светотехника» №2), «Электромагнитная совместимость светодиодных светильников: соблюдать или не соблюдать?» («Полупроводниковая светотехника» №2)
Да и остальные статьи стоит посмотреть.
Ну, а теперь маленький бочонок дегтя в эту ложку меда
Господа редакторы и иже с ними, есть пожелание, надо более внимательно отнестись к терминологии из светотехнической области и других смежных: «с высоким индексом светопередачи», «ДнаТ», «получаем экономию электроэнергии до 3 ГВт (это размерность мощности) в год», «Для симметричной оптики, когда пик светового потока приходится на середину кривой распределения света, угол половинной яркости (FWHM) определяется как угол, при котором интенсивность освещения падает на 50 % от максимального значения».
Есть еще одна занимательная статья в полупроводниковой светотехнике №2 «Особенности применения светодиодов Golden Dragon Oval Plus в уличном освещении» хорошо знакомый один из авторов Игорь Прохоров (Игорь с номерами).
. КСС светильника выстроена так, что основное световое пятно располагается отнюдь не по оси светильника, а при данной высоте подвеса смещено метра на четыре вперёд и назад (вилкой). Под самим светильником находится чуть более тёмная область. Соответственно, зона наибольшего ослепления и находится в этих местах. Но хитрость в том, что в этих местах сам светильник уже скрыт крышей автомобиля, и не виден водителю! Субъективно данный светильник практически не имеет эффекта ослепления, ощутимая разница есть и с натриевыми фонарями — последние слепят сильнее. . »
Интересно уважаемый Александр Белинский (Alxe) свой авторские за эту статью получил или списать пару абзацев за плагиат не считается?
Характеристики источников света
Для понимания фотометрических характеристик необходимо вспомнить определение стерадиана. Стерадиан представляет собой телесный угол ? (конус с центром сферы радиусом R), который вырезает на сфере поверхность площадью R2 (как показано в верхней части рисунка 1).
Из определения стерадиана следует, что полный световой поток, излучаемый точечным источником с силой света 1 кандела равен 4p люменов.
Световой поток F
Силу света измеряют в канделах (в переводе с латинского — свеча). Кандела — это сила света обычной восковой свечи. Возникает вполне правомерный вопрос: почему силу света измеряют в канделах, а не Вт/стерадиан (Вт/ср)? Часто так и делают, но при использовании мощных светодиодов для освещения возникает следующее неудобство. Если включить зеленый, красный и синий светодиоды с одинаковой силой света, измеренной в Вт/ср, то яркость зеленого светодиода будет существенно выше. Это явление объясняет рассмотренные нами выше графики на рисунках 3 и 4, иллюстрирующие разную чувствительность глаза человека к разным длинам волн видимого спектра. Яркость красного светодиода нам казалась бы меньше, чем у зеленого, а свечение синего светодиода вообще оказалось бы очень тусклым. Чтобы устранить эти причины, силу света измеряют в канделах, а световой поток в люменах (см. рис. 1). При расчете освещенности именно люмен является наиболее подходящей единицей измерения для расчетов и сравнения разных источников света.
Сила света I
Сила света I — это пространственная плотность светового потока или отношение светового потока внутри телесного угла к величине этого телесного угла. Проще говоря, сила света показывает, какую часть светового потока излучает источник в рассматриваемом направлении. Сила света измеряется в канделах (кд). Для пересчета кандел в люмены применяют следующий метод: 1. Зная двойной угол половинной яркости светодиода q, взятый из документации производителя, вычисляем соответствующий телесный угол ? = 2p (1-cos(q/2)). 2. Определяем световой поток F = Ix?, где I — сила света светодиода.
Освещенность характеризует уровень освещения поверхности, создаваемый световым потоком, падающим на поверхность. В системе СИ измеряется в люксах. Рассчитывается по формуле E = F/S (1 люкс = 1 люмен/м2). Освещенность пропорциональна силе света. С увеличением дистанции от поверхности освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. При падении световых лучей наклонно к освещаемой поверхности освещенность падает пропорционально косинусу угла падения лучей.
В фотометрии термин «яркость» рассматривают применительно к поверхности. Хотя мы все часто употребляем термин «яркость светодиода», это некорректно. Более правильные термины — сила света и световой поток. В данном случае (см. рис. 5) речь идет о яркости поверхности, то есть отраженном от нее свете. Яркость L — это отношение силы света I элемента поверхности к площади его проекции, перпендикулярной рассматриваемому направлению или L = (I/S) x cosa. Из всех фотометрических величин яркость наиболее близко связана со зрительными ощущениями, так как освещенности изображений предметов на сетчатке глаза пропорциональны именно яркости этих предметов.
Световая отдача
Световая отдача характеризует эффективность источника излучения, определяющая, какой вырабатывается световой поток на 1 Вт подведенной мощности. Единица измерения — лм/Вт. Теоретически максимально возможная световая отдача равна 683 лм/Вт у источника света с длиной волны 555 нм при преобразовании электрической энергии в свет без потерь. Из последнего предложения следует, что 1 люмен — это световой поток зеленого излучателя света без потерь с длиной волны 555 нм мощностью 1/683 Вт. Обычная лампа накаливания 60 Вт обеспечивает световой поток 500 лм (светоотдача — 8,33 лм/Вт). Лампа накаливания мощностью 100 Вт излучает световой поток около 1300 лм (13 лм/Вт). Люминесцентная лампа мощностью 26 Вт создает световой поток около 1600 лм (61,5 лм/Вт). Уличная натриевая газоразрядная лампа излучает 10000. 20000 лм. Натриевые лампы низкого давления обеспечивают один из максимальных показателей эффективности — световая отдача около 200 лм/Вт. Фирма Cree выпускает светодиоды с оптической эффективностью более 100 лм/Вт. По оценкам экспертов со временем этот показатель будет только увеличиваться, а цена ультраярких и осветительных светодиодов будет только уменьшаться.
Использован материал из журнала «Новости электроники»
Угол половинной яркости что это
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.
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.
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 4 π r 2 , поэтому полный световой поток, создаваемый точечным источником, с силой света одна кандела, равен 4 π люменам.
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.
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.
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=2 π (1 — cos(θ/2)).
2. Вычисляем световой поток: F = Iv × Ω, где Iv — сила света светодиода.
Калькулятор для пересчета кандел в люмены и обратно:
| Канделы в люмены | Люмены в канделы |
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.
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 Tj = Ta + (Vf × If) × Rth (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 (Vf) 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.
Рис. 2 — девиация угла свечения