Světelná účinnost ve fotometrii

Přehled

Světelná účinnost je základní pojem ve fotometrii a osvětlovací technice, sloužící jako hlavní měřítko pro hodnocení, jak efektivně světelný zdroj převádí elektrickou energii na viditelné světlo. Matematicky je definována jako:

[ \text{Světelná účinnost} (\eta) = \frac{\text{Světelný tok (lm)}}{\text{Elektrický příkon (W)}} ]

Jednotkou je lumen na watt (lm/W). Tato veličina umožňuje přímé porovnání různých světelných zdrojů—například LED, zářivek a žárovek—kvantifikací množství viditelného světla vyrobeného na jednotku spotřebované energie.

Světelná účinnost bere v úvahu jak fyzikální vlastnosti zdroje, tak proměnlivou citlivost lidského oka na různé vlnové délky, jak ji popisuje fotopická světelná funkce CIE V(λ). Teoretické horní omezení je 683 lm/W při vlnové délce, kde je lidské oko nejcitlivější (555 nm), ale reálné zdroje dosahují nižších hodnot kvůli spektrálnímu rozložení, neviditelnému záření a energetickým ztrátám.

Světelný tok

Světelný tok (Φ) představuje celkové množství viditelného světla vyzařovaného zdrojem, upravené podle citlivosti oka. Jeho SI jednotkou je lumen (lm). Výpočet integruje spektrální rozložení výkonu zdroje (SPD) s funkcí CIE V(λ):

[ \Phi = 683 \int_{380,\mathrm{nm}}^{780,\mathrm{nm}} V(\lambda) \cdot P_{\lambda} , d\lambda ]

• 683 lm/W je maximální citlivost při 555 nm.
• V(λ) je normalizovaná fotopická světelná funkce.
• Pλ je spektrální zářivý výkon při vlnové délce λ.

Světelný tok je zásadní pro specifikaci světelného výkonu lamp a návrh osvětlovacích systémů pro dosažení požadovaných hladin osvětlení.

Elektrický příkon v osvětlovací technice

Elektrický příkon je rychlost spotřeby energie světelným zdrojem, měřená ve wattech (W). Zahrnuje všechny ztráty v předřadnících, zdrojích a při přeměně energie. Přesné měření je důležité zejména u moderních zdrojů, jako jsou LED s komplexními zdroji napájení.

• Systémová účinnost: Zohledňuje všechny optické a elektrické ztráty.
• Účinnost zdroje: Počítá pouze s příkonem samotného zařízení.

Elektrický příkon určuje provozní náklady, uhlíkovou stopu a splnění požadavků na účinnost.

Fotopická světelná funkce CIE V(λ)

Funkce CIE V(λ) modeluje průměrnou citlivost lidského oka na viditelné světlo za jasných (fotopických) podmínek. Vrcholí při 555 nm (zelená) a klesá směrem k fialovým a červeným vlnovým délkám.

[ \Phi = 683 \int V(\lambda) \cdot P_{\lambda} , d\lambda ]

V(λ) je základem pro převod radiometrických veličin (veškeré elektromagnetické energie) na fotometrické veličiny (viditelné světlo vnímané člověkem) a tvoří základ mezinárodních světelných norem a specifikací.

SI jednotky ve fotometrii

Tyto SI jednotky jsou kodifikovány mezinárodními standardizačními organizacemi (BIPM, CIE, IEC) a jsou nezbytné pro jednotné měření a specifikaci.

Světelná intenzita

Světelná intenzita měří světelný tok vyzářený v určitém směru na jednotkový prostorový úhel, s jednotkou SI kandela (cd):

[ 1 \ \text{cd} = 1 \ \text{lm/sr} ]

Světelná intenzita je klíčová pro směrové osvětlení, včetně okrajových světel drah, světlometů vozidel a signalizačních lamp.

Osvětlenost

Osvětlenost vyjadřuje množství světelného toku dopadajícího na jednotku plochy, měřenou v luxech (lx):

[ 1 \ \text{lx} = 1 \ \text{lm/m}^2 ]

Je to základní veličina při návrhu osvětlení pro zrakovou pohodu, bezpečnost a splnění norem jako EN 12464-1 nebo ICAO Annex 14 pro letectví.

Jas

Jas popisuje vnímaný jas povrchu z konkrétního směru:

[ L = \frac{dI}{dA \cdot \cos\theta} ]

• L: Jas (cd/m²)
• dI: Diferenciální světelná intenzita
• dA: Diferenciální plocha
• θ: Úhel mezi normálou povrchu a směrem pozorování

Jas je zásadní pro obrazovky, značení a bezpečnostně kritické osvětlení.

Světelná efektivita

Světelná efektivita je poměr skutečné světelné účinnosti k teoretickému maximu (683 lm/W), vyjádřený v procentech:

[ \text{Světelná efektivita} = \frac{\text{Skutečná světelná účinnost}}{683 \ \text{lm/W}} \times 100% ]

Tato hodnota slouží jako měřítko pro srovnání různých technologií osvětlení.

Radiometrické vs. fotometrické veličiny

Radiometrická měření zahrnují veškerou elektromagnetickou energii, zatímco fotometrická měření zohledňují pouze viditelné světlo vnímané člověkem.

Výpočet světelné účinnosti

1. Změřte světelný tok:
   Použijte integrační kouli nebo goniometr k zachycení veškerého vyzařovaného světla a určení celkového světelného toku (lm).

2. Změřte elektrický příkon:
   Zaznamenejte vstupní výkon (W) na svorkách lampy či svítidla, včetně všech ztrát v předřadnících nebo zdrojích.

3. Vypočítejte účinnost:
   [ \eta = \frac{\text{Světelný tok (lm)}}{\text{Elektrický příkon (W)}} ]

Teoretické maximum světelné účinnosti

Horní limit světelné účinnosti je 683 lm/W při 555 nm. Reálné zdroje vyzařují v širším spektru, a proto je jejich účinnost vždy nižší. Nejlepší dostupné bílé LED dosahují 90–220+ lm/W, zatímco monochromatické zdroje jako nízkotlaké sodíkové výbojky mohou dosáhnout ~200 lm/W.

Faktory ovlivňující světelnou účinnost

• Technologie zdroje:
  Žárovka (6–19 lm/W), zářivka (40–85 lm/W), LED (90–220+ lm/W)

• Spektrální rozložení:
  Čím více se spektrum emisí překrývá s funkcí V(λ), tím vyšší účinnost.

• Účinnost napájení:
  Ztráty v předřadnících a zdrojích snižují systémovou účinnost.

• Optické ztráty:
  Reflektory, difuzory a čočky mohou pohlcovat nebo rozptylovat světlo.

• Tepelný management:
  Vysoké provozní teploty snižují účinnost, zejména u LED.

• Stárnutí a stmívání:
  Světelný výkon často časem klesá, což ovlivňuje účinnost.

Aplikace a příklady použití

• Letectví:
  Vysoce účinné osvětlení drah a pojížděcích cest splňující normy ICAO a FAA.

• Obecné osvětlení:
  LED dnes dominují díky vysoké účinnosti a dlouhé životnosti.

• Automobilový průmysl:
  Energeticky úsporné světlomety a signalizace zvyšují bezpečnost i účinnost.

• Nouzové/signalizační osvětlení:
  Vysoce účinné LED zajišťují viditelnost při minimální spotřebě.

• Přenosná zařízení:
  Maximalizace životnosti baterie u svítilen a displejů mobilních zařízení.

Srovnání účinnosti běžných světelných zdrojů

Světelná účinnost v normách a předpisech

Mezinárodní organizace jako CIE, IEC, ISO a ICAO stanovují požadavky na světelnou účinnost pro osvětlovací produkty v oblasti veřejné infrastruktury, letectví, pracovního prostředí i spotřebitelského trhu. Dodržování těchto norem zajišťuje bezpečnost, účinnost a ohleduplnost k životnímu prostředí.

Shrnutí

Světelná účinnost je silným nástrojem pro porovnávání a optimalizaci osvětlovacích řešení, podporuje úspory energie, lepší viditelnost i splnění světových norem. Ať už v letectví, komerčních budovách nebo přenosných zařízeních, pochopení a správné využití této veličiny je nezbytné pro moderní návrh osvětlení.