Svetelná účinnosť vo fotometrii

Prehľad

Svetelná účinnosť je základný pojem vo fotometrii a svetelnej technike, ktorý slúži ako rozhodujúce kritérium pri hodnotení, ako efektívne zdroj svetla premieňa elektrickú energiu na viditeľné svetlo. Matematicky sa definuje ako:

[ \text{Svetelná účinnosť} (\eta) = \frac{\text{Svetelný tok (lm)}}{\text{Elektrický príkon (W)}} ]

Jednotkou je lúmen na watt (lm/W). Táto veličina umožňuje priamu komparáciu medzi svetelnými zdrojmi – ako sú LED, fluorescenčné a žiarovky – kvantifikovaním množstva viditeľného svetla vyprodukovaného na jednotku spotrebovanej energie.

Svetelná účinnosť zohľadňuje fyzikálne vlastnosti zdroja svetla aj rôznu citlivosť ľudského oka na jednotlivé vlnové dĺžky, ako popisuje CIE fotopická funkcia citlivosti V(λ). Teoretická horná hranica je 683 lm/W pri vlnovej dĺžke, kde je ľudské oko najcitlivejšie (555 nm), no praktické svetelné zdroje dosahujú nižšie hodnoty kvôli spektrálnemu rozloženiu, nevizuálnym emisiám a stratám energie.

Svetelný tok

Svetelný tok (Φ) predstavuje celkové množstvo viditeľného svetla vyžiareného zdrojom, upravené podľa citlivosti oka. Jeho jednotkou v SI sústava je lúmen (lm). Výpočet integruje spektrálne rozloženie výkonu zdroja (SPD) s CIE funkciou V(λ):

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

• 683 lm/W je maximálna citlivosť pri 555 nm.
• V(λ) je normalizovaná fotopická funkcia citlivosti.
• Pλ je spektrálny žiariaci výkon pri vlnovej dĺžke λ.

Svetelný tok je kľúčový pre špecifikáciu výkonu lámp a návrh osvetľovacích systémov na požadované úrovne osvetlenia.

Elektrický príkon v osvetlení

Elektrický príkon je rýchlosť, ktorou svetelný zdroj spotrebúva energiu, meraná vo wattoch (W). Zahŕňa všetky straty spôsobené predradníkmi, elektronickými zdrojmi a konverziou energie. Presné meranie je dôležité najmä pri moderných zdrojoch, ako sú LED s komplexnými zdrojmi napájania.

• Systémová účinnosť: Zahŕňa všetky optické a elektrické straty.
• Účinnosť samotného zdroja: Zohľadňuje len príkon samotného zariadenia.

Elektrický príkon umožňuje určiť prevádzkové náklady, uhlíkovú stopu a splnenie predpisov o účinnosti.

CIE fotopická funkcia citlivosti V(λ)

Funkcia CIE V(λ) modeluje priemernú citlivosť ľudského oka na viditeľné svetlo za dobrých svetelných podmienok (fotopické videnie). Vrcholí pri 555 nm (zelená) a klesá smerom k fialovým a červeným vlnovým dĺžkam.

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

V(λ) tvorí základ pre prevod radiometrických veličín (všetka elektromagnetická energia) na fotometrické veličiny (viditeľné svetlo vnímané človekom) a je základom pre medzinárodné normy a špecifikácie v osvetlení.

SI jednotky vo fotometrii

Tieto SI jednotky sú zakotvené v medzinárodných normách (BIPM, CIE, IEC) a sú nevyhnutné pre konzistentné meranie a špecifikáciu.

Svetelná intenzita

Svetelná intenzita meria svetelný tok vyžiarený v danom smere na jednotku priestorového uhla, pričom jednotkou je kandela (cd):

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

Svetelná intenzita je kľúčová pre smerové osvetľovanie, ako sú okrajové svetlá dráh, reflektory automobilov a signalizačné lampy.

Osvetlenosť

Osvetlenosť určuje množstvo svetelného toku dopadajúceho na jednotku plochy, meraná v luxoch (lx):

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

Ide o základnú veličinu pri navrhovaní osvetlenia pre vizuálny komfort, bezpečnosť a splnenie noriem ako EN 12464-1 alebo ICAO Annex 14 pre letectvo.

Jas

Jas opisuje vnímaný jas povrchu z určitého smeru:

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

• L: Jas (cd/m²)
• dI: Diferenciálna svetelná intenzita
• dA: Diferenciálna plocha
• θ: Uhol medzi normálou povrchu a smerom pozorovania

Jas je dôležitý pre displeje, informačné tabule a bezpečnostne kritické osvetlenie.

Svetelná efektívnosť

Svetelná efektívnosť je pomer skutočnej svetelnej účinnosti k teoretickému maximu (683 lm/W), vyjadrený v percentách:

[ \text{Svetelná efektívnosť} = \frac{\text{Skutočná svetelná účinnosť}}{683 \ \text{lm/W}} \times 100% ]

Táto hodnota poskytuje porovnávacie kritérium pre rôzne svetelné technológie.

Radiometrické vs. fotometrické veličiny

Radiometrické veličiny zahŕňajú všetku elektromagnetickú energiu, zatiaľ čo fotometrické veličiny zohľadňujú iba viditeľné svetlo vnímané ľudským okom.

Výpočet svetelnej účinnosti

1. Meranie svetelného toku:
   Použite integračnú guľu alebo goniometer na zachytenie všetkého vyžiareného svetla a určenie celkového svetelného toku (lm).

2. Meranie elektrického príkonu:
   Zmerajte vstupný príkon (W) na svorkách lampy alebo svietidla vrátane všetkých strát v predradníkoch alebo zdrojoch.

3. Výpočet účinnosti:
   [ \eta = \frac{\text{Svetelný tok (lm)}}{\text{Elektrický príkon (W)}} ]

Teoretické maximum svetelnej účinnosti

Horná hranica svetelnej účinnosti je 683 lm/W pri 555 nm. Skutočné zdroje svetla vyžarujú v širokom spektre vlnových dĺžok, preto ich účinnosť je vždy nižšia. Najlepšie biele LED aktuálne dosahujú 90–220+ lm/W, zatiaľ čo monochromatické zdroje ako nízkotlakové sodíkové lampy môžu dosiahnuť ~200 lm/W.

Faktory ovplyvňujúce svetelnú účinnosť

• Technológia zdroja:
  Žiarovka (6–19 lm/W), fluorescenčná lampa (40–85 lm/W), LED (90–220+ lm/W)

• Spektrálne rozloženie:
  Čím viac je emisné spektrum v súlade s V(λ), tým vyššia účinnosť.

• Účinnosť napájania:
  Straty v predradníkoch/zdojoch znižujú systémovú účinnosť.

• Optické straty:
  Reflektory, difúzory a šošovky môžu svetlo pohlcovať alebo rozptyľovať.

• Tepelný manažment:
  Vysoké prevádzkové teploty znižujú účinnosť, najmä pri LED.

• Starnutie a stmievanie:
  Svetelný výkon sa časom často znižuje, čo ovplyvňuje účinnosť.

Aplikácie a využitie

• Letecký priemysel:
  Vysoko účinné osvetlenie dráh a pojazdových ciest v súlade s normami ICAO a FAA.

• Všeobecné osvetlenie:
  LED dnes dominujú vďaka vysokej účinnosti a dlhej životnosti.

• Automobilový priemysel:
  Energeticky úsporné reflektory a signalizácia zvyšujú bezpečnosť aj efektívnosť.

• Núdzové/signalizačné osvetlenie:
  Vysoko účinné LED zaručujú viditeľnosť s minimálnou spotrebou energie.

• Prenosné zariadenia:
  Maximalizovaná výdrž batérie v baterkách a displejoch mobilných zariadení.

Porovnanie účinnosti bežných svetelných zdrojov

Svetelná účinnosť v normách a predpisoch

Medzinárodné organizácie, ako CIE, IEC, ISO a ICAO stanovujú požiadavky na svetelnú účinnosť pre svetelné produkty v infraštruktúre, letectve, na pracoviskách a v spotrebiteľskej sfére. Dodržiavanie predpisov zaručuje bezpečnosť, efektívnosť a environmentálnu zodpovednosť.

Zhrnutie

Svetelná účinnosť je silným nástrojom na porovnávanie a optimalizáciu svetelných riešení, podporuje úspory energie, lepšiu viditeľnosť a súlad s globálnymi normami. Či už v letectve, komerčných budovách alebo prenosných zariadeniach, pochopenie a aplikácia tejto veličiny je nevyhnutná pre moderný návrh osvetlenia.