پارامترهای اساسی در روشنایی

در این مقاله می خواهیم پارامترهای اساسی در روشنایی را بررسی کنیم.

شار نوری

شار نوری، مقدار نوری که از منبع نور ساتع می شود را بیان می کند. بازده نوری عبارتست از نسبت شار نوری به میزان برق مصرفی (Lm/w). بازده نوری یک ابزار برای سنجش میزان اقتصادی بودن منبع نوری می باشد.

شدت نور

شدت نور، مقدار نوری که در یک جهت مشخص ساتع می شود را بیان می کند. شدت نور، معیار مناسبی برای المان های روشنایی جهت دهنده، مثل رفلکتور می باشد.

شدت نور برای این المان هامعمولا توسط منحنی پخش نور (LDC: luminous Intensity Distribution Curve) ارائه می گردد.

نماد l   واحد: CD : Candela

روشنایی

روشنایی، مقدار شار نوری است که از سطح می گذرد. روشنایی با فاصله، رابطه جذر معکوس دارد، بدین معنی که با افزایش فاصله مقدار روشنایی با توان ۲ نسبت به فاصله کاهش می یابد.

در استاندارهای مختلف مقدار روشنایی مورد نیاز برای محیط های مختلف ارائه شده است.

(به عنوان مثال نشریه ۶۵۴ معاونت نظارت راهبردی رئیس جمهور امور نظام فنی با عنوان ” مبانی و ضوابط طراحی روشنائی و مهندسی روشنائی”)

نماد: E      واحد : lx : Lux  

درخشندگی

درخشندگی تنها پارامتر اساسی روشنایی است که با چشم دریافت می گردد. روشنایی میزان درخشندگی سطح را بیان نموده و کاملا به میزان بازتابش سطح (رنگ و میزان صیقلی بودن) بستگی دارد.

نماد :  L  واحد: cd/m2

کیفیت رنگ

برای ارزیابی منابع نوری علاوه بر میزان شار خروجی منبع، کیفیت رنگ نور آن نیز مهم است. از این رو برای بررسی کیفیت رنگ نور کنبع دو پارامتر زیر معرفی می شوند

شاخص نمود رنگ (cri) color rendering index

دمای رنگ (cct) correlated color temperature

شاخص نمود رنگ

رنگی که از اجسام به چشم بیننده می رسد یا از رنگی بودن نور منبع و یا از انعکاس طیف های خاصی از نور منبع توسط چشم ناشی می شود. بنابراین برای اینکه یک جسم به رنگ واقعی خود دیده شود باید منبع نوری که به آن می تابد، کلیه طول موج های رنگی را داشته باشد. شاخص رنگ نمود رنگ معیاری است که نشان می دهد که نور تولید شده توسط منبع روشنایی از چه تعداد رنگ تشکیل یافته است. هر چه قدر این عدد بزرگتر باشد تعداد رنگ هایی که از جسم به واسطه منبع به چشم ما می رسد بیشتر خواهد بود و میتوان جسم را با تعداد رنگ های بیشتری مشاهده کرد. اگر منبع نوری فاقد تمام طیف نوری مرئی می باشد رنگی که از اجسام به چشم می رسد رنگ واقعی آنها نخواهد بود.

دمای رنگ

اساس تعریف دمای رنگ نور منتشره از یک جسم سیاه بر اثر افزایش درجه حرارت می باشد. اگر جسم سیاه گرم شود در دماهای مختلف نورهای متفاوتی ایجاد می کند و این نورها تمام طیف مرئی را پوشش می دهند. هرچه میزان حرارت بیشتر باشد طول موج های کوتاه تر (به سمت رنگ آبی) در طیف خروجی بیشتر خواهد بود. بر این اساس رنگ نور منبع با درجه حرارت نور در ارتباط است. چشم انسان نورهای منتشره از جسم سیاه در دماهای بین ۳۰۰۰ تا ۶۵۰۰ کلوین را به رنگ سفید می بیند، اما می تواند تفاوت بین آنها را درک نماید. جدول زیر نام های تجاری رنگ نور و اثر آن بر چشم را نشان می دهد.

 

رواداری مختصات رنگ

لازم است برای دمای رنگ های تعریف شده طبق استاندارد محدوده ای برای انحراف مجاز از آن دما وجود داشته باشد، این محدوده مشخص می کند که یک رنگ چقدر می تواند از دمای استاندارد فاصله بگیرد بدون اینکه رنگی متفاوت از آن دما حاصل شود. روشی که برای مشخص کردن میزان این انحراف وجود دارد استفاده از بیضی مک آدام است. در این بیضی گام هایی تعریف شده که بیانگر میزان انحراف استاندارد می باشد و SDCM نامیده می شود.

یک گام بیضی مک ادام یا ۱-SDCM ناحیه ای روی منحنی رنگ CIE را نشان می دهد که تغییر در آن محدوده برای چشم انسان محسوس نخواهد بود. به طور کلی برای دمای رنگ های استاندارد از ۱-SDCM تا ۸-SDCM مجاز می باشد. به عنوان مثال در دمای رنگ ۳۰۰۰K رواداری های زیر تعریف می شوند

زاویه دید

منظور از زاویه دید زاویه ای است که در آن شدت روشنایی ۱۰% مقدار بیشینه است.

زاویه تابش

منظور از زاویه تابش زاویه ای است که در ان شدت روشنایی ۵۰% مقدار بیشینه است.

نمودار قطبی پخش نور

این نمودار برای مشخص کردن شدت نور منتشر شده توسط یک چراغ در زوایای مختلف به کار می رود. نمودارهای قطبی به شکل منحنی های بسته در پیرامون چراغ هستند که مقدار هر نقطه از این منحنی در هر زاویه مشخص متفاوت و بیانگر شدت نور در آن زاویه بر حسب CD/KLM خواهد بود.

مطابق با تصویر روبرو مقادیر بر اساس مختصات قطبی در زوایای C و Y  (گاما) ارائه شده است. پارامتر C نمایانگر صفحه ای عمودی می باشد که حول محور عمودی عبوری از مرکز چراغ  (nadir) در زوایای مختلف چرخش می نماید.

این صفحات که به نام c-plane شناخته شده اند در زوایای مختلف از ۰ تا ۳۶۰ وجود دارد (مطابق با دایره مثلثاتی در نمای بالای چراغ c-0 سمت راست چراغ، c-90 جلوی چراغ و …) با همین عنوان از هم متمایز می شوند. به طور مثال زمانی که گفته می شود c-90 منظور صفحه ایست که در زاویه ۹۰درجه نسبت به مبدا مختصات (c-0) قرار گرفته است.

پارامتر دوم که در رسم منحنی قطبی پخش نور مورد استفاده قرار می گیرد زاویه y است. این زاویه در تقسیم بندی منحنی پخش نور قابل مشاهده است. همانطور که در تصویر زیر مشاهده می شود در هر c-plane مقدار نور پخش شده توسط چراغ در زوایای مختلف مشخص شده است. دقت کنید که در هر c-plane و y خاص تنها نماینده یک نقطه در نمودار قطبی خواهند بود که از مجموع زوایای مختلف در یک صفحه c- plane های مختلف منحنی فضایی حاصل شدهکه در شکل بعدی قابل مشاهده است. این نمودار نمودار کامل پخش نور چراغ می باشد.

معمولا چهار عدد از این منحنی ها (c-0 , c-90 , c-180 , c-270) به عنوان نماینده صفحات برای نمایش پخش نور چراغ مورد استفاده قرار می گیرند که در زیر نمودار اسامی این صفحات با نمایش رنگ خاص آن منحنی ذکر می شود. این چهار منحنی برای نمایش نیاز به ۴صفحه مجزا دارند اما به صورت خلاصه در یک صفحه نمایش داده می شوند.

ذکر این نکته ضروری است که نمودار بالا بیانگر ۴صفحه نماینده از فضای نوری چراغ است و قاعدتا اطلاعات کامل پخش نور در آن قابل مشاهده نخواهد بود، هرچند نمایی کلی از پخش نور چراغ ارائه می دهد. برای دسترسی به اطلاعات کامل چراغ بایستی شدت نور را در تمامی جهات (C,Y) در اختیار داشت که این اطلاعات معمولا در جداولی به نام l-table ارائه می گردد.

نحوه استفاده از منحنی قطبی پخش نور

نمودار قطبی پخش نور از خطوطی که حول مرکز دوران یافته اند (زوایای y) و دوایر متحدالمرکز (مقادیر شدت نور بر حسب cd/klm) تشکیل شده است. برای استفاده از این نمودار در مختصات y , c-plane مورد نظر، بایستی مقدار شار نوری چراغ را در عدد خوانده شده از نمودار ضرب نمود. عدد بدست آمده بر حسب کاندلا و بیانگر میزان شدت نوری در جهت مورد نظر است. مقدار n در پایین نمودار نشان دهنده راندمان چراغ می باشد.

نمودار مخروطی توزیع نور

این نمودار ابزاری برای محاسبه و مقایسه سریع مقادیر روشنایی در چراغ های مختلف می باشد. همانطور که در شکل دیده می شود، نمودار قطبی و مخروطی از یک چراغ نمایش داده شده است. در نمودار مخروطی دو زاویه دیده می شود (آبی و قرمز) که هر کدام بر اساس صفحات C-PLANE مربوطه می باشند. این زاویه در هر یک از C- PLANE های اصلی برابر با زاویه ایست که در آن مقدار شدت نور ۵۰% حدااکثر شدت نور در همان C-PLANE است. به عنوان مثال در چراغ زیر این زاویه در C-90 برابر با ۱۱٫۹ درجه می باشد.

در سمت چپ این نمودار فاصله عمودی چراغ تا سطح مشخص شده است. در وسط نمودار قطر دایره ای در زاویه و فاصله فوق الذکر ایجاد می گردد، مشخص شده است. در سمت راست مقادیر روشنایی در فواصل مختلف مشخص گردیده است. در این قسمت E(0) شدت روشنایی در مرکز دایره (زیر چراغ) بوده و E(C0) و E(C90) شدت متوسط روشنایی در دوایر مربوطه می باشد.

انواع  منابع نور الکتریکی

منابع نور الکتریکی را به طور کلی می توان در سه گروه قرار داد: منابع نور رشته ای، منابع نور تخلیه الکتریکی، منابع نور نیمه رسانا

منابع نور رشته ای

اولین منبع نور رشته ای در سال ۱۹۲۰ میلادی به بازار آمد. فرآیند تولید نور در این منابع بر این اساس است که دمای یک رشته سیم تنگستن، در یک حباب پر شده از گاز بی اثر (اغلب آرگون) با عبور جریان الکتریکی شدیدا بالا رفته و نوری مرئی تولید می کند. این منابع که شامل لامپ های رشته ای متداول و لامپ های رشته ای هالوژن می باشند، غالبا ضریب تشخیص رنگ ۱۰۰ دارند ولی بهره نوری آنها بسیار پایین و طول عمر آنها نیز کوتاه می باشد.

منابع نور تخلیه الکتریکی

لامپ های تخلیه الکتریکی در گاز در سال ۱۹۵۰ معرفی شدند. این گروه منابع به طور عمومی از یک حباب شیشه ای مقاوم به حرارت تشکیل شده اند که داخل آنها از ترکیب یک گاز بی اثر به همراه مقداری از یک فلز تبخیر شونده (سدیم،جیوه) پر شده است و غالبا این حباب با یک حباب محافظ ثانوی پوشیده می شود. برقراری ولتاژ معینی بین الکترودهای دو طرف حباب باعث تبخیر و تحریک فلز و تولید تشعشع الکترومغناطیسی می شود. می توان این لامپ ها را با توجه به فشار گاز داخل لامپ به دو دسته ی پر فشار شامل لامپ های جیوه، متال هالید و بخار سدیم پر فشار و دسته ی کم فشار شامل لامپ های بخار سدیم کم فشار، فلورسنت، فلورسنت فشرده تقسیم نمود. هر کدام از این لامپ ها با توجه به ساختار داخلی شان، نوع و فشار گاز داخلی آنها ضریب تشخیص رنگ و بهره های متفاوتی دارند.

منابع نور نیمه رسانا

در اوایل قرن بیستم همزمان با توسعه نیمه رساناها اکتشافاتی در زمینه اثر فتوالکتریکی و انتشار نور از نیمه رسانا ها انجام شد. با ادامه و پیشرفت این اکتشافات در سال ۱۹۵۷ تولید نور مرئی از پیوند گالیوم آرسینک (GaAs) و گالیوم فسفید (GaP) معنی دار شد. بعد از آن LED با رنگ های دیگر همچون سبز، زرد، نارنجی و آبی تولید شد. در سال ۱۹۹۵ اولین LED سفید با موفقیت آزمایش شده و بالاخره در سال ۱۹۹۷ LED سفید به بازار آمد و مبنای عملکرد LED ها بر اساس این است که با اعمال اختلاف پتانسیل به دو سر یک پیوند نیمه رسانای p-n الکترون ها از ناحیه ی کاتد (n) به سمت ناحیه آند (p) حرکت کرده و در محل پیوند با حفره ها برخورد می کنند. این برخورد باعث می شود که الکترون ها به یک تراز انرژی پایینتر انتقال یافته و انرژی آنها به صورت فوتون (نور) آزاد گردد.

LED های موجود در صنعت روشنایی را می توان بر اساس تکنولوژی ساخت به این ترتیب تقسیم بندی کرد:

DIP LED

اولین شکل ظهور LED به این صورت بوده است. لغت DIP مخفف تکنولوژی dual in-line package می باشد که تکنولوژی ساخت قطعات الکترونیکی است. محدوده ی توانی این LED ها از ۲۰mw تا ۶۰mw بوده و کاربرد آنها بیشتر در signing می باشد.

High power LED

این دسته از LED ها به عنوان قدیمی ترین LED های توان بالایی هستند که در صنعت روشنایی استفاده می شوند و در دو مدل تک رنگ و RGB موجود می باشند. این LED ها عمدتا در محدوده ی توانی  ۱W-3W و در سه سایز chip,38mil,45mil و ۶۰mil عرضه می شوند، که جریان نامی با توجه به سایز چیپ تعیین می شود.

اس ام دی SMD LED

در این نوع LED ها از تکنولوژی surface mount استفاده می شود و LED ها روی PCB نصب می شوند. محدوده ی توانی SMD LED ها از ۶۰mw تا ۳w است. ابعاد آنها از روی شماره مدل آنها قابل تشخیص می باشد. به عنوان مثال ابعاد یک ۵۰۵۰ SMD LED برابر ۵mm*5mm خواهد بود. هر کدام از SMD LED ها با توجه به مدلشان جریان نامی مشخص خواهند داشت.

Super High Power LED

ساختار و تکنولوژی LED های super high power مشابه LED های high power است و از اجتماع و اتصال chipهای ۱w high power LED ساخته می شود. محدوده توانی این دسته از LED ها از ۵w تا ۵۰۰w می باشد.

COB LED

این دسته از LED ها با تکنولوژی Chip on board ساخته می شوند که از جدید ترین تکنولوژی ساخت LED می باشد و از جای گذاری چندین LED chip روی یک board بدست می آید و در اشکال مختلف دایره ای، مربعی، حلقه ای و نواری در ابعاد مختلف موجود می باشد. این LED در محدوده توانی ۳-۲۰۰W موجود می باشند.

Filament LED

در LED های فیلمانی از تکنولوژی مشابه COB استفاده می شود با این تفاوت که Chip ها روی یک ستون شیشه ای که با فسفر پوشانده شده است قرار داده می شوند. این LED ها با توان ۱w ضریب تشخیص رنگ نسبتا بالایی عرضه می شوند.

AC LED

AC LED ها، LED های با جریان متناوب هستند که مستقیما به منبع تغذیه وصل می شوند و نیازی به درایور ندارند. این گونه LED ها قابلیت عملکرد در ولتاژهای ۱۲v تا ۲۴۰v را دارا می باشند و با توان بزرگتر از ۴w موجود می باشند.