Угол половинной яркости светодиода

Светодиодный экран. Определения

До недавнего времени считалось, что светодиодные экраны по карману лишь самым богатым компаниям. Сегодня, со снижением цен на комплектующие и улучшением характеристик, видеоэкран стал вполне доступен даже для небольших бюджетов. Если Вы решили приобрести светодиодный экран? В этой статье мы объясним современную терминологию и некоторые правила, которые помогут Вам лучше ориентироваться в мире видеотехнологий.

Итак, вы хотите получить качественное изображение на видеоэкране — купите экран с самым высоким разрешением, которое только можете себе позволить. Обычно разрешением светодиодного экрана называют количество вертикальных и горизонтальных пикселей. Пиксель — 1 элемент матрицы дисплея, формирующего изображение (представляет собой неделимый объект, характеризуемый определенным цветом). Например, чтобы достигнуть разрешения 640 х 320 на экране размером 6м х 3м (современный рекламный билборд), понадобится экран с пикселями, расположенными друг от друга на расстоянии 9,375 мм. Это расстояние между центрами соседних пикселей (SMD диодами или группами светодиодов) называют шагом видеоэкрана.

Таким образом, чем меньше шаг экрана, тем больше плотность пикселей на единицу площади, выше разрешение изображения — а значит, уменьшается расстояние, комфортное для восприятия изображения и текста. Как правило, шаг между пикселями для внутренних экранов (устанавливаемых в помещении) — 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 мм. Шаг между пикселями для наружных экранов — 9, 12, 16, 20, 32 мм. Наружные экраны больше по размеру, чем аналоги внутреннего исполнения, поскольку зона обзора у наружных больше. Чем меньше шаг экрана, тем дороже экран. Таким образом, идеальное решение представляет собой компромисс цены и разрешения экрана.
При рассмотрении пикселей вблизи RGB светодиоды (красный, зеленый, синий) проявляются как независимые точки (процесс напоминает изучение газетной фотографии под лупой). Расстояние от светодиодного экрана до точки наблюдения, где происходит преобразование трех отдельных цветов в один, известно как расстояние смешивания цветов (Color Mixture Distance). Способность к лучшему смешиванию цветов позволяет изображениям казаться ясными и четкими вблизи. Для наружных экранов с обычными светодиодами типа лампы, расстояние смешивания цветов может быть вычислено по следующей формуле: шаг между пикселями умножить на 500. Для внутренних светодиодных экранов с SMD светодиодами это число равно 250.
Минимальное расстояние наблюдения — при этом расстоянии до экрана наблюдается сглаженное изображение: шаг между пикселями умножить на 700-1000. Например, для нашего шага 9,375мм минимальное расстояние наблюдения — 9,375 х 1000 = 9,375м.
Максимальное расстояние наблюдения — обычно, это 20-30 высот экрана. Например, для экрана высотой 6м: 6м х 30 = 180м.

Яркость светодиодного экрана — это среднее из 12 измерений “белого поля” минус яркость отраженного света на “черном поле” — важная для понимания характеристика. Единица измерения яркости светодиодного экрана — нит (Кд/м2). Чем больше это значение, тем выше яркость видеоэкрана, тем четче будет выводимое на экран изображение в солнечную погоду. Как правило, яркость для внутренних экранов должна быть не менее 2000 Кд/м2, для наружных экранов — 5000 Кд/м2 и выше. Яркость измеряется под прямым углом к экрану, используя хронометр — “измеритель яркости” (в НАТА-ИНФО это PR-655 SpectraScan). Мы предлагаем уличные видеоэкраны с яркостью до 7500 Кд/м2 — гарантированная работа не менее 100 000 часов обеспечивается применением лучших комплектующих компаний Nichia и NationStar.
Если идти вдоль экрана, будет заметно изменение яркости. Угол обзора половинной яркости определяется по точке, где яркость экрана составляет 50% от максимальной. Эта характеристика экрана определяется параметрами используемых светодиодов, как правило — не менее 100 град.

Угол обзора светодиода совпадает совпадает с углом его половинной яркости. Но электронное табло имеет угол обзора больше, чем угол половинной яркости светодиодов. Табло имеет больший обзор за счет того, что с увеличением угла наблюдения, уменьшается видимая площадь поверхности — при наблюдении табло под углом, сила света светодиодов уменьшается, уменьшается общая сила света, но и видимая площадь поверхности тоже уменьшается).

Для производства светодиодных экранов с углами обзора 160-170 градусов необходимы светодиоды с углом половинной яркости примерно 110 градусов.

Часто люди путают частоту обновления кадров и частоту обновления видеоэкрана (частоту регенерации). Дело в том, что 60 кадров в секунду (частота обновления кадров), это максимальная частота даже в сравнительно новых стандартах разрешения. Глаз человека воспринимает 50Гц как постоянную составляющую изображения, а не мерцание. Чтобы достичь более плавного изображения в динамических сценах применили технологию дублирования кадров. То есть одни и те же кадры показывают по нескольку раз. Таким образом, технология дублирования при изначальной частоте обновления в 50 кадров в секунду дает обновление экрана в 100 Гц — каждый кадр показывался зрителю 2 раза. Если из этих 50 каждый кадр показывать 4 раза, частота регенерации будет составлять 200 Гц. На самом деле эта технология гораздо сложнее — с помощью специального алгоритма проводится анализ двух последовательных кадров и создается дополнительный (или несколько), который и вставляется между двумя оригинальными. Современные рекламные и спортивные видеоэкраны должны иметь частоту регенерации не менее 300 Гц для плавности динамических сцен. Это помогает избежать эффектов “рваного” движения и размытия при быстром перемещении объектов по экрану.

Характеристики светодиодов

Несмотря на существующее многообразие светодиодов, отличающихся формой и назначением, все они созданы из полупроводникового кристалла и имеют общий принцип действия. Значит, их работа основана на одних и тех же технических характеристиках, среди которых выделяют входные и выходные параметры светодиодов.

Входные параметры

Технические характеристики светодиодов, которые оказывают влияние на его работу, условно называют входными. Речь идёт о прямом (обратном) токе и напряжении и их графической зависимости.

Прямой ток

Техническим параметром №1 любого светодиода является ток, протекающий в прямом направлении через p-n-переход. Номинальный (рабочий) ток – это ток, при котором производитель гарантирует заявленную яркость в течение всего срока эксплуатации. Также указывается максимальный ток, превышение которого ведёт к электрическому пробою. Для некоторых модификаций номинальный прямой ток теоретически равен максимальному. В таких случаях рекомендуется эксплуатировать светодиод на 90-95% от номинального значения. Величина рабочего тока во многом зависит от размера кристалла и режима работы. Например, ток органического светодиода, используемого для формирования OLED матриц, не превышает нескольких микроампер. И, наоборот, кристалл мощностью 1 вт потребляет около 0,35 А.

Падение напряжения

Под этим параметром принято понимать прямое падение напряжения при протекании через p-n‑переход номинального тока. Его значение зависит от химического состава полупроводника (цвета свечения). Наименьшим прямым напряжением обладают инфракрасные диоды (около 1,9В), а наибольшим ультрафиолетовые (от 3,1 до 4,4В). Зачастую в паспорте указывают диапазон возможных значений.

Обратное напряжение

Под максимальным обратным напряжением понимают напряжение обратной полярности, прикладываемое к p-n-переходу, при превышении которого происходит электрический пробой и, как следствие, выход из строя полупроводникового прибора. Для превалирующей части светодиодов его значение составляет 5В. Среди излучающих диодов ИК-диапазона немало приборов с допустимым обратным напряжением 1 или 2 вольта.

Мощность рассеивания

Мощность, рассеиваемая корпусом, определяется как произведение максимального тока и прямого напряжения и указывает на наибольшее количество энергии, которую способен эффективно рассеивать светодиод в течение длительного времени. При превышении паспортного значения в кристалле полупроводника возникает электрический или тепловой пробой.

Вольтамперная характеристика светодиода представляет собой графическую зависимость прямого тока от прикладываемого прямого напряжения. С помощью этого технического параметра можно легко узнать падение напряжения на светодиоде при задании тока определённой величины без проведения лабораторных исследований. ВАХ помогает произвести теоретические расчёты будущей электрической цепи.

Выходные параметры

Под выходными параметрами подразумевают характеристики светодиодов, измеренные при определённых условиях. Замер выходных параметров производят на номинальном токе и температуре окружающей среды, равной 25°C.

Световой поток и сила света

Оптические характеристики светодиода выражают в виде светового потока и силы света. Световой поток (лм) – это количество световой энергии (видимый свет), излучаемой кристаллом и переносимой на поверхность за единицу времени. Для слаботочных светодиодов с рассеивающей линзой обычно указывают силу света (кд). Её физический смысл состоит в отношении светового потока к углу, внутри которого распространяется излучение. Другими словами, сила света – это интенсивность светового потока в некотором направлении. Отсюда следует, что светодиод с меньшим углом излучения обладает большей силой света при одинаковом световом потоке. Современные 5 мм светодиоды высокой яркости способны выдавать до 15 кд.

Угол излучения

В разных источниках можно встретить названия: «видимый угол», «угол рассеивания». С физической точки зрения его правильно называть «Двойной угол половинной яркости» и обозначать – «2Q1/2». Двойной угол половинной яркости присущ только приборам, которые имеют фокусирующую линзу, и зависит от формы корпуса. Он может иметь значения в пределах 15-140°. Белые светодиоды, предназначенные для smt монтажа, и матрицы на их основе характеризуются широким углом излучения – 115-140°.

Цвет излучения и длина волны

В зависимости от типа полупроводникового материала светодиод излучает свет в определённом волновом диапазоне. Например, зелёному цвету соответствует диапазон длин от 500 до 570 нм. При этом прибор с λ=500-520 нм имеет салатный оттенок, а с λ=550-570 нм – бирюзовый оттенок. Белый светодиод излучает в ультрафиолетовом или в широком спектре с дальнейшим выделением белого света с помощью люминофора. ИК и УФ диоды работают в невидимой зоне спектра. Поэтому в их маркировке указывается рабочая длина волны.

Цветовая температура

Этот параметр присущ исключительно белым светодиодам. Цветовая температура указывает на оттенок, который получают предметы, освещаемые в данном свете. Условно весь белый свет разделяют на тёплый, нейтральный и холодный и измеряют его в градусах Кельвина. Свет от светодиодов с одинаковой цветовой температурой может восприниматься по-разному, что объясняется их различным коэффициентом цветопередачи. Более подробно об этом написано здесь.

Световая отдача

Этот параметр показывает, какое количество светового потока излучает светодиод на единицу потреблённой мощности и измеряется в лм/Вт. Светоотдача является своеобразным коэффициентом полезного действия светодиода. По этому показателю мощные светодиоды уже превзошли газоразрядные лампы, перешагнув рубеж в 150 лм/Вт. Серийно выпускаемые светодиоды имеют светоотдачу около 100 лм/Вт. Световая отдача светодиодных ламп на 220В в 5-7 раз больше, чем у ламп накаливания.

Читайте также  Как рассчитать предохранитель в автомобиле?

Инерционность

Такое понятие как «инерционность» часто отсутствует в datasheet на светодиоды. Общепринято считать, что они мгновенно включаются и отключаются, т.е. являются безынерционными. На самом деле задержка при переключении может достигать нескольких нс. Для отечественных ИК излучающих диодов инерционность указывают в виде времени нарастания и спада излучающего импульса. Эти временные интервалы колеблются в пределах единиц-сотен наносекунд и оказывают влияние на работу в высокочастотном импульсном режиме.

Дополнительные характеристики

Кроме основных технических параметров, при проектировании светодиодных светильников нужно учитывать ещё несколько дополнительных факторов, таких как влияние температуры и различных коэффициентов.

Температурная зависимость

Продолжительная и стабильная работа излучающего диода во многом зависит от эффективного отвода тепла от кристалла. В связи с этим у мощных светодиодов должно быть низкое тепловое сопротивление перехода кристалл-подложка. Например, SMD 5730 и SMD 3014 имеют всего 4°C/Вт, что является достижением современных технологий.

  • максимальная температура p-n-перехода (температура кристалла), которая для SMD приборов может достигать 130°C;
  • температурный диапазон, при котором допускается эксплуатация;
  • температурный диапазон, при котором можно хранить полупроводниковый прибор;
  • температурно-временной график пайки SMD светодиодов.

Биновка

Светодиодный бин представляет собой неделимую область на диаграмме цветности, условно выраженную в цифробуквенном коде. Необходимость биновки белых светодиодов вызвана погрешностью, допускаемой в процессе их изготовления. Бин-код позволяет максимально точно указать оттенок белого света приборов, имеющих одинаковую цветовую температуру и коэффициент цветопередачи. Данный параметр учитывают производители светильников высокого качества.

Технические характеристики и параметры светодиодов

Существует множество светодиодов различных форм, размеров, мощностей. Однако любой светодиод — это всегда полупроводниковый прибор, в основе которого — прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении, вызывающее оптическое излучение (видимый свет).

Принципиально все светодиоды характеризуются рядом конкретных технических характеристик, электрических и световых, о которых мы и поговорим далее. Данные характеристики вы сможете найти в даташите (в технической документации) на светодиод.

Электрические характеристики — это: прямой ток, прямое падение напряжения, максимальное обратное напряжение, максимальная рассеиваемая мощность, вольт-амперная характеристика. Световые параметры — это: световой поток, сила света, угол рассеяния, цвет (или длина волны), цветовая температура, световая отдача.

Прямой номинальный ток (If – forward current)

Номинальный прямой ток — это ток, при прохождении которого через данный светодиод в прямом направлении, производитель гарантирует паспортные световые параметры данного источника света. Другими словами, это рабочий ток светодиода, при котором светодиод точно не перегорит, и сможет нормально работать на протяжении всего срока эксплуатации. В этих условиях p-n-переход не будет пробит и не перегреется.

Кроме номинального тока есть еще такой параметр, как пиковый прямой ток (Ifp – peak forward current) – максимальный ток, который можно пропускать через переход лишь импульсами длительностью по 100 мкс при коэффициенте заполнения не более DC = 0.1 (точные данные — см.даташит). Теоретически максимальный ток — это предельный ток, который кристалл может выдерживать лишь кратковременно.

На практике величина номинального прямого тока зависит от размера кристалла, от типа полупроводника, и лежит в диапазоне от единиц микроампер до десятков миллиампер (для светодиодных сборок типа COB — еще больше).

Прямое падение напряжения (Vf – forward voltage)

Прямое падение напряжения на p-n-переходе, вызывающее номинальный ток светодиода. Напряжение прикладывается к светодиоду так, что анод имеет положительный потенциал относительно катода. В зависимости от химического состава полупроводника, от длины волны оптического излучения, различаются и прямые падения напряжения на переходе.

Кстати, по прямому падению напряжения можно определить химический состав полупроводника. А вот приблизительные диапазоны прямых падений напряжений для различных длин волн (цветов света светодиодов):

Инфракрасные светодиоды с длиной волны более 760 нм на базе арсенида галлия имеют характерное падение напряжения менее 1,9 В.

Красные (например галлия фосфид — от 610 нм до 760 нм) — от 1,63 до 2,03 В.

Оранжевые (галлия фосфид — от 590 до 610 нм) — от 2,03 до 2,1 В.

Желтые (галлия фосфид, от 570 до 590 нм) — от 2,1 до 2,18 В.

Зеленый (галлия фосфид, от 500 до 570 нм) — от 1,9 до 4 В.

Синий (селенид цинка, от 450 до 500 нм) — от 2,48 до 3,7 В.

Фиолетовый (индия-галлия нитрид, от 400 до 450 нм) — от 2,76 до 4 В.

Ультрафиолетовый (нитрид бора, 215 нм) — от 3,1 до 4,4 В.

Белые (синий или фиолетовый с люминофором) — около 3,5 В.

Максимальное обратное напряжение (Vr – reverse voltage)

Максимальное обратное напряжение светодиода, как и любого светодиода, — это такое напряжение, при прикладывании которого к p-n-переходу в обратной полярности (когда потенциал катода больше потенциала анода) происходит пробой кристалла, и светодиод выходит из строя. Подавляющее большинство светодиодов имеют обратное максимальное напряжение в районе 5 В. Для сборок COB – еще больше, а для инфракрасных светодиодов бывает и до 1-2 вольт.

Максимальная мощность рассеяния (Pd — total power dissipation)

Эта характеристика измеряется при температуре окружающей среды в 25°C. Это та мощность (зачастую в мВт), которую корпус светодиода еще способен рассеивать непрерывно, и не перегорит. Она вычисляется как произведение падения напряжения на текущий через кристалл ток. Если это значение будет превышено (произведение напряжения на ток), то очень скоро кристалл будет пробит, произойдет его тепловое разрушение.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ — график)

Нелинейная зависимость тока через p-n-переход от приложенного к переходу напряжения, называется вольт-амперной характеристикой (сокращенно — ВАХ) светодиода. Эта зависимость изображается в даташите графически, и по имеющемуся в распоряжении графику можно очень просто увидеть, какой ток при каком напряжении пойдет через кристалл светодиода.

Характер ВАХ зависит от химического состава кристалла. ВАХ оказывается очень полезна при проектировании электронных устройств со светодиодами, ведь благодаря ей можно без поведения практических измерений узнать, какое напряжение необходимо приложить к светодиоду, чтобы получить заданный ток. Еще с помощью ВАХ можно более точно подобрать к диоду токоограничительный резистор.

Сила света, световой поток (luminous intensity, luminous flux)

Световые (оптические) параметры светодиодов измеряются еще на стадии их производства, при нормальных условиях и на номинальном токе через переход. Температура окружающей среды принимается равной 25°C, устанавливается номинальный ток, и измеряются сила света (в Кд — кандела) или световой поток (в Лм — люмен).

Под световым потоком в один люмен понимают световой поток, испускаемый точечным изотропным источником с силой света, равной одной канделе, в телесный угол в один стерадиан.

Слаботочные светодиоды характеризуются непосредственно силой света, которая указывается в милликанделах. Кандела — это единица силы света, а одна кандела — это сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Другими словами, сила света количественно отражает интенсивность светового потока в определенном направлении. Чем меньше угол рассеяния — тем больше будет сила света светодиода при одном и том же световом потоке. Например сверхъяркие светодиоды обладают силой света в 10 и более кандел.

Угол рассеяния светодиода (Viewing angle)

Эта характеристика часто описывается в документации на светодиоды как «двойной угол половинной яркости тэта», и измеряется в градусах (deg-degrees-градусы). Название именно таково, поскольку светодиод как правило имеет фокусирующую линзу, и яркость не по всему углу рассеяния получится равномерной.

Вообще этот параметр может лежать в диапазоне от 15 до 140°. У SMD светодиодов этот угол шире, чем у выводных собратьев. Например 120° для светодиода в корпусе SMD 3528 — это нормально.

Длина волны света (Dominant Wavelength)

Измеряется в нанометрах. Характеризует цвет излучаемого светодиодом света, который в свою очередь зависит от длины волны и от химического состава полупроводникового кристалла.

Инфракрасное излучение имеет длину волны более 760 нм, красный цвет — от 610 нм до 760 нм, желтый — от 570 до 590 нм, фиолетовый — от 400 до 450 нм, ультрафиолетовый — менее 400 нм. Белый свет выделяется при помощи люминофоров из ультрафиолетового, фиолетового или синего.

Цветовая температура (CCT — Color Temperature)

Данная характеристика задается в документации на белые светодиоды и измеряется в кельвинах (К). Холодный белый (около 6000К), теплый белый (около 3000К), белый (около 4500К) — точно показывает оттенок белого света.

В зависимости от цветовой температуры, цветопередача будет разной, и воспринимается человеком белый цвет с разной цветовой температурой — по разному. Теплый свет более комфортен, он лучше подойдет для дома, холодный — больше подходит общественным помещениям.

Для светодиодов, применяемых для освещения сегодня, данная характеристика находится в районе 100 Лм/Вт. Мощные модели светодиодных источников света превзошли компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), и достигают 150 и более Лм/Вт. По сравнению с лампами накаливания, светодиоды превосходят их по световой отдаче более чем в 5 раз.

В принципе, световая отдача численно показывает, насколько эффективен источник света в плане энергопотребления: сколько ватт требуется для получения определенного количество света — сколько люмен наватт.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Подробное описание светового потока светодиодных ламп

Все большую популярность среди осветительных приборов приобретают светодиодные источники света. Несмотря на довольно высокую стоимость изготовления, переход на такой тип освещения всего лишь вопрос времени. LED (международное обозначение) лампы обладают преимуществами перед лампами накаливания и люминесцентными светильниками. Их параметры, такие, как спектр цвета, цветовая температура, яркость, поддаются регулировке. Потенциал светодиодных светильников позволяет использовать их во всех сферах освещения: от дома применения в осветительных системах авто. Рассмотрим же какой световой поток у светодиодных ламп.

Читайте также  Как рассчитать рассеиваемую мощность резистора?

Что такое световой поток

На самом деле для расчета освещенности проектантами ранее использовалась другая величина – кандела (свеча), также имеющая прямое соответствие потребляемым ваттам лампой накаливания. В технической литературе начала второй половины прошлого века можно встретить выражения «тысячесвечовая лампа» и т.п. Яркость в канделах означает мощность света в ваттах, излучаемых в определенном направлении. В качестве визуальной ассоциации – такую яркость обеспечивает обычная горящая парафиновая или стеариновая свечка. Отсюда и название. Такой подход обеспечивает визуальное представление яркости, как количество горящих свечей.


Яркость свечения в одну канделу

Важно! Ватты, используемые для расчета кандел, не имеют отношения к электрической мощности – источник света может быть не электрический (та же свеча).

Для понятия светового потока существует определение – мощность энергии излучения, которая оценивается по световому ощущению. Или количество фотонов, испускаемых в единицу времени. Математически это выглядит так: если точечный источник силой в 1 канделу излучает поток в телесный угол, равный одному стерадиану, то он создает световой поток в 1 люмен (лм).


Графическое изображение стерадиана

Требует пояснение понятие стерадиана. Чтобы представить телесный угол в 1 ср, надо взять конус с вершиной в центре сферы радиуса R, который вырезает на поверхности сферы площадь, равную R2 . Угол раскрыва такого конуса составляет около 65 градусов.

Если точечный источник света в 1 канделу, излучающий одинаково во все стороны, поместить в сферу, радиусом 1 м, то на ее внутренней поверхности создастся освещенность, равная 1 люксу (лк). Эта величина используется для задания норм освещенности. Так, для различных помещений, согласно СНиП, должны выполняться условия:

  • классные комнаты общеобразовательных школ – 500 лк;
  • аудитории ВУЗов – 400 лк;
  • спортзалы – 200 лк.

Нормы освещенности установлены и для других помещений.

Если световой поток в 1 лм падает на 1 кв.м. поверхности, то он создает освещенность в 1 лк. Отсюда связь между люменом и люксом: 1 лк = 1 лм/кв.м. Например, чтобы обеспечить достаточную освещенность в аудитории, площадью 100 кв.м., нужен световой поток в 40000 люмен. Также надо учесть, что освещенность убывает пропорционально квадрату расстояния от источника света, поэтому высота подвеса светильника имеет значение.

Метод расчета равномерного освещения

Существует такое понятие, как коэффициент использования светопотока. Его применяют для расчета равномерного освещения горизонтальных плоскостей поверхности внутри помещения. Данный метод позволяет рассчитать коэффициент освещенности каждой комнаты отдельно. Он основан на светоотражении разных материалов отделки. Основными отражателями света являются стены, потолок и пол. Второстепенными отражателями, влияющими на коэффициент, являются мебель, оборудование и другие объекты, находящиеся в помещении. На коэффициент светоотражения надо обратить особое внимание, потому что его светопоток может иметь одинаковую мощность с прямым потоком света, идущего от прибора освещения. Если этому не уделить внимание, рассчитывая коэффициент для конкретного помещения, световой фон может быть нарушен.

Чтобы правильно рассчитать коэффициент светопотока любых ламп, используется таблица с процентным показанием отражения света от поверхности разных цветов. Чем темнее поверхность, тем слабее отражаемый светопоток и меньше коэффициент.

При расчете принимаются во внимание нормы рекомендуемых уровней освещения, указанных в таблице.

Коэффициент светопотока позволяет определить другие параметры светильников с любым источником света, будь то светодиодная или обычная лампа накаливания:

  • рассчитать общую мощность используемых ламп для достижения требуемой нормы освещенности, с учетом предварительного определения месторасположения осветительных приборов, их количества и моделей;
  • рассчитать месторасположение, а также количество приборов освещения, зависящее от моделей светильников и мощности используемых источников света.

Существуют другие способы расчета освещения, например, по удельной мощности и точечному методу. Они требуют использования формул, номограмм, таблиц и специальных графиков. Такое определение коэффициента является трудоемким, но считается более точным.
Вконтакте

Принцип работы

Чтобы понять, в чем удобство использования всех этих величин, надо рассмотреть направление излучения LED, и связанные с этим понятия.


Углы свечения светодиода с линзой

Конструкция светоизлучающего диода такова, что он не посылает свет равномерно во все стороны – нижняя полусфера закрывается подложкой, а конструкция линзы такова, что она не обеспечивает равномерное излучение в верхней полусфере. В итоге основной световой поток концентрируется в верхнем направлении и ослабевает к периферии светового конуса. При определенном угле зрения интенсивность свечения снижается наполовину, а при достижении еще большего угла свет становится невидимым. Первый угол (bac) называется углом половинной яркости, а второй – (fah) – полным углом свечения.


Углы свечения светодиода с люминофором

Эти же моменты применимы и к светодиоду с люминофором. Там угол излучения ограничен подложкой и углом наибольшей активности инициирующего излучения p-n перехода. Надо понимать, что на глаз точно определить эти углы невозможно – нужны специальные приборы. Но можно визуально сравнить два светодиода — у какого угол раскрыва больше.

Световая отдача светодиодных ламп

Светоотдача светодиодных ламп не зависит от степени нагрева кристалла. Практически все осветители белого цвета сделаны на основе LED с люминофором, поэтому световая отдача зависит от качества этого люминофора, от технологии, по которой он произведен. Также имеет значение светоизлучение инициирующего кристалла и способность этого излучения вызвать свечение люминофора в видимом участке спектра.


Мощный белый LED с люминофором

Сила светового потока наружного освещения

Для расчета наружного освещения надо исходить из норм минимальной освещенности, которые также можно найти в соответствующих СНиП (СП). Так, для детских площадок минимальная освещенность не должна быть менее 10 лк.

В нормативах даны минимальные значения освещенности, при расчетах их можно увеличивать.

Чтобы получить искомое количество светильников (N) для получения необходимой освещенности, надо задаться исходными данными:

  • минимальной освещенностью (E), лк;
  • площадью территории (S), кв.м.;
  • коэффициентом неравномерности освещения (z), для LED-светильников он равен 1,2;
  • множителем, учитывающим ослабление светового потока к концу службы светильника (k), для светодиодных приборов он равен 1,2;
  • световой поток одной лампы (F), лм;
  • коэффициент учета отражения предметов, расположенных рядом (n), для асфальта его можно принять 0,3.

Эти величины связаны формулой N=E*S*z*k/(F*n).


Освещение детской площадки

Пусть требуется осветить детскую площадку площадью 150 кв.м. В наличии светильники, излучающие световой поток в 1500 лм каждый. Подставив значения в формулу, получим N=10*150*1,2*1,2/(1500*0,3). Получится 4,8 или 5 светильников. Это минимальное количество, по факту можно установить и больше.

Можно задаться не световым потоком имеющихся фонарей, а количеством светильников, которое можно установить на территории. В этом случае надо вычислить световой поток каждой лампы. Формула расчета примет вид F=E*S*k*z/(N*n). Если итоговый результат не попадает в стандартный ряд характеристик ламп, его надо округлить в большую сторону.

Взаимосвязь люменов и ватт

Потребители во всем мире за десятилетия доминирования ламп накаливания привыкли соотносить яркость освещения с потребляемой электрической мощностью. Для этих устаревших приборов это было резонно – развитие технологий в этом направлении давно зашло в тупик. Соотношение мощности и интенсивности освещения устоялось и вошло в привычку.

Для светодиодного освещения прямой взаимосвязи потребляемой мощности в ваттах и создаваемого светового потока в люменах не существует. Точнее, она есть, но только на текущий момент. Технологии не стоят на месте, совершенствуется производство кристаллов, разрабатываются новые люминофоры с повышенной светоотдачей. Соотношения настоящего времени завтра окажутся безнадежно устаревшими.

Зачем нужна сравнительная таблица?

Многие покупатели отдают предпочтение светодиодным источникам из-за экономии электроэнергии. Сравнивая показатели ламп накаливания и LED можно найти оптимальное решение, подобрав необходимый уровень освещения для дома, квартиры или офиса. Оптический поток нужно учитывать не только для жилых помещений, но и для промышленных. В таком случае, выбираются более мощные устройства с установленной температурой. Приобретать стоит только в проверенных специализированных или интернет-магазинах. Поделитесь данной информацией на страницах своих социальных сетей.

Таблица яркости света

На актуальный момент соответствие светового потока современных светодиодных ламп и потребляемой ими мощности выглядит так:

Световой поток, лм 250 400 650 1300 2100
Потребляемая мощность светодиодного светильника, Вт 2-3 5-7 8-9 14-15 22-27
Эквивалентная мощность лампы накаливания, Вт 25 40 60 100 150

В таблице указаны приблизительные округленные значения, так как присутствующие на рынке лампы произведены в течение нескольких лет различными производителями по отличающимся технологиям. Для восприятия «на глаз» этот разброс практически не заметен.

В заключении видео: Отличие и взаимосвязь ватт, люменов и кельвинов.

Имея четкое понятие о взаимосвязи характеристик светового излучения, можно самостоятельно выполнить расчет освещения помещения или территории. Для этого надо знать нормы освещенности и технические характеристики LED-ламп.

В чем измеряется?

Световой поток – это показатель, указывающий на мощность лучистой энергии. Характеристика максимального потребления энергии в данной ситуации взаимосвязана. Попадая на объект, распадается на три составные:

Единицей измерения является Люмен, обозначаемый Лм. Характеризуется яркостью освещения, который исходит из LED-лампы. Складывается из нескольких показателей:

— Применяемые химические составы.

В течение срока эксплуатации, параметр яркости у LED источника становится меньше. Потеря наблюдается при прохождении света через линзу, составляет до 5%. Говоря проще: световой поток – максимальная освещенность, которую может выдать источник света. Характеристика зависит от конструктивных особенностей лампы и мощности, подаваемой от электрической цепи.

Подробное описание светового потока светодиодных ламп

При проектировании систем освещения помещений необходимо руководствоваться определенными величинами, чтобы унифицировать процедуры расчета. Эти же универсальные величины требуются для обычных потребителей, чтобы ориентироваться в источниках света различного типа. Долгое время для ламп накаливания такой величиной был один ватт потребляемой электрической мощности. Но эти приборы сходят со сцены, поэтому требуется найти что-то другое.

Что такое световой поток

На самом деле для расчета освещенности проектантами ранее использовалась другая величина – кандела (свеча), также имеющая прямое соответствие потребляемым ваттам лампой накаливания. В технической литературе начала второй половины прошлого века можно встретить выражения «тысячесвечовая лампа» и т.п. Яркость в канделах означает мощность света в ваттах, излучаемых в определенном направлении. В качестве визуальной ассоциации – такую яркость обеспечивает обычная горящая парафиновая или стеариновая свечка. Отсюда и название. Такой подход обеспечивает визуальное представление яркости, как количество горящих свечей.

Читайте также  Виды электроотопительных приборов

Важно! Ватты, используемые для расчета кандел, не имеют отношения к электрической мощности – источник света может быть не электрический (та же свеча).

Для понятия светового потока существует определение – мощность энергии излучения, которая оценивается по световому ощущению. Или количество фотонов, испускаемых в единицу времени. Математически это выглядит так: если точечный источник силой в 1 канделу излучает поток в телесный угол, равный одному стерадиану, то он создает световой поток в 1 люмен (лм).

Требует пояснение понятие стерадиана. Чтобы представить телесный угол в 1 ср, надо взять конус с вершиной в центре сферы радиуса R, который вырезает на поверхности сферы площадь, равную R 2 . Угол раскрыва такого конуса составляет около 65 градусов.

Если точечный источник света в 1 канделу, излучающий одинаково во все стороны, поместить в сферу, радиусом 1 м, то на ее внутренней поверхности создастся освещенность, равная 1 люксу (лк). Эта величина используется для задания норм освещенности. Так, для различных помещений, согласно СНиП, должны выполняться условия:

  • классные комнаты общеобразовательных школ – 500 лк;
  • аудитории ВУЗов – 400 лк;
  • спортзалы – 200 лк.

Нормы освещенности установлены и для других помещений.

Если световой поток в 1 лм падает на 1 кв.м. поверхности, то он создает освещенность в 1 лк. Отсюда связь между люменом и люксом: 1 лк = 1 лм/кв.м. Например, чтобы обеспечить достаточную освещенность в аудитории, площадью 100 кв.м., нужен световой поток в 40000 люмен. Также надо учесть, что освещенность убывает пропорционально квадрату расстояния от источника света, поэтому высота подвеса светильника имеет значение.

Принцип работы

Чтобы понять, в чем удобство использования всех этих величин, надо рассмотреть направление излучения LED, и связанные с этим понятия.

Конструкция светоизлучающего диода такова, что он не посылает свет равномерно во все стороны – нижняя полусфера закрывается подложкой, а конструкция линзы такова, что она не обеспечивает равномерное излучение в верхней полусфере. В итоге основной световой поток концентрируется в верхнем направлении и ослабевает к периферии светового конуса. При определенном угле зрения интенсивность свечения снижается наполовину, а при достижении еще большего угла свет становится невидимым. Первый угол (bac) называется углом половинной яркости, а второй – (fah) – полным углом свечения.

Эти же моменты применимы и к светодиоду с люминофором. Там угол излучения ограничен подложкой и углом наибольшей активности инициирующего излучения p-n перехода. Надо понимать, что на глаз точно определить эти углы невозможно – нужны специальные приборы. Но можно визуально сравнить два светодиода — у какого угол раскрыва больше.

Световая отдача светодиодных ламп

Светоотдача светодиодных ламп не зависит от степени нагрева кристалла. Практически все осветители белого цвета сделаны на основе LED с люминофором, поэтому световая отдача зависит от качества этого люминофора, от технологии, по которой он произведен. Также имеет значение светоизлучение инициирующего кристалла и способность этого излучения вызвать свечение люминофора в видимом участке спектра.

Сила светового потока наружного освещения

Для расчета наружного освещения надо исходить из норм минимальной освещенности, которые также можно найти в соответствующих СНиП (СП). Так, для детских площадок минимальная освещенность не должна быть менее 10 лк.

В нормативах даны минимальные значения освещенности, при расчетах их можно увеличивать.

Чтобы получить искомое количество светильников (N) для получения необходимой освещенности, надо задаться исходными данными:

  • минимальной освещенностью (E), лк;
  • площадью территории (S), кв.м.;
  • коэффициентом неравномерности освещения (z), для LED-светильников он равен 1,2;
  • множителем, учитывающим ослабление светового потока к концу службы светильника (k), для светодиодных приборов он равен 1,2;
  • световой поток одной лампы (F), лм;
  • коэффициент учета отражения предметов, расположенных рядом (n), для асфальта его можно принять 0,3.

Эти величины связаны формулой N=E*S*z*k/(F*n).

Пусть требуется осветить детскую площадку площадью 150 кв.м. В наличии светильники, излучающие световой поток в 1500 лм каждый. Подставив значения в формулу, получим N=10*150*1,2*1,2/(1500*0,3). Получится 4,8 или 5 светильников. Это минимальное количество, по факту можно установить и больше.

Можно задаться не световым потоком имеющихся фонарей, а количеством светильников, которое можно установить на территории. В этом случае надо вычислить световой поток каждой лампы. Формула расчета примет вид F=E*S*k*z/(N*n). Если итоговый результат не попадает в стандартный ряд характеристик ламп, его надо округлить в большую сторону.

Взаимосвязь люменов и ватт

Потребители во всем мире за десятилетия доминирования ламп накаливания привыкли соотносить яркость освещения с потребляемой электрической мощностью. Для этих устаревших приборов это было резонно – развитие технологий в этом направлении давно зашло в тупик. Соотношение мощности и интенсивности освещения устоялось и вошло в привычку.

Для светодиодного освещения прямой взаимосвязи потребляемой мощности в ваттах и создаваемого светового потока в люменах не существует. Точнее, она есть, но только на текущий момент. Технологии не стоят на месте, совершенствуется производство кристаллов, разрабатываются новые люминофоры с повышенной светоотдачей. Соотношения настоящего времени завтра окажутся безнадежно устаревшими.

Таблица яркости света

На актуальный момент соответствие светового потока современных светодиодных ламп и потребляемой ими мощности выглядит так:

Световой поток, лм 250 400 650 1300 2100
Потребляемая мощность светодиодного светильника, Вт 2-3 5-7 8-9 14-15 22-27
Эквивалентная мощность лампы накаливания, Вт 25 40 60 100 150

В таблице указаны приблизительные округленные значения, так как присутствующие на рынке лампы произведены в течение нескольких лет различными производителями по отличающимся технологиям. Для восприятия «на глаз» этот разброс практически не заметен.

В заключении видео: Отличие и взаимосвязь ватт, люменов и кельвинов.

Имея четкое понятие о взаимосвязи характеристик светового излучения, можно самостоятельно выполнить расчет освещения помещения или территории. Для этого надо знать нормы освещенности и технические характеристики LED-ламп.

Светодиоды. Принцип работы, описание, параметры

Светодиодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры Процесс самопроизвольной рекомбинаци инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p-n переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на более низкий; при этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света.

Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Еg > 1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и галлий—мышьяк—алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (Eg > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.

Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения светодиода. Например, на основе фосфида галлия, легированного определенным количеством цинка, кислорода или азота, получают светодиоды зеленого, желтого и красного цветов свечения. Тройные соединения GaAsP и GaAsAl используют, в основном, для получения светодиодов красного цвета свечения.

Обычно излучение светодиодов является монохроматическим с оговоренной для каждого типа максимальной длиной волны, имеющий незначительный разброс внутри каждого типа. Светодиоды с управляемым цветом свечения изготавливаются на основе двух светоизлучающих переходов, один из которых имеет резко выраженный максимум спектральной характеристики в красной полосе, другой — в зеленой. При совместной работе цвет результирующего излучения зависит от соотношения токов через переходы. Основным технологическим методом изготовления светодиодов является метод эпитаксиального наращивания. Это жидкофазная эпитаксия или эпитаксия из газовой фазы. В некоторых случаях, в основном, при использовании карбида кремния, применяется метод диффузии примесей (акцепторных или донорных) из газовой фазы, проводящийся внутри кварцевых ампул.

Одним из основных параметров светодиодов является: яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (измеряется в канделах на квадратный метр).

Спектральная характеристика светодиода выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения светодиода. Длина волны излучаемого света определяется разностью энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации и определяется исходным полупроводниковым материалом и легирующими примесями.

Излучение светодиода также характеризуется диаграммой направленности (угол половинной яркости), которая определятся конструкцией светодиода, наличием линзы и оптическими свойствами защищающего кристалл материала (измеряется в градусах). Излучение светодиода может быть узконаправленным или рассеянным.

Основные параметры светодиодов зависят от окружающей температуры. С увеличением температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде уменьшается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Промышленные светодиоды имеют сравнительно большой разброс параметров и характеристик от образца к образцу.

Светодиоды, применяемые в наружной рекламе, должны соответствовать самым высоким требованиям к зависимости яркости от температуры окружающей среды и выдерживать диапазон температур от –40°С до +80°С, не изменяя яркости (силы света). Такие параметры светодиодов могут обеспечить только фирмы-лидеры в своей области, работающие на самом современном высокотехнологичном оборудовании и использующие самые современные технологии.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10-8с после подачи импульса прямого тока, что делает их незаменимыми в световой рекламе, несущей быстро сменяемую информацию.

По внешнему конструктивному признаку светодиоды подразделяются на приборы в металлических корпусах со стеклянной линзой (обладают весьма острой направленностью излучения) и пластмассовых корпусах из оптически прозрачного, чаще цветного компаунда, создающего рассеянное излучение. Именно эти светодиоды и применяются в наружной и интерьерной рекламе, обеспечивая одновременно и достаточную яркость, и максимально возможный угол просмотра.