Dlaczego sam strumień świetlny nie wystarczy?
Dwie oprawy LED o zbliżonym strumieniu świetlnym, zamontowane na tej samej wysokości, mogą oświetlać jezdnię w zupełnie inny sposób. Jedna będzie skupiać światło przede wszystkim pod słupem, pozostawiając słabiej oświetlone obszary pomiędzy punktami świetlnymi. Druga, dzięki odpowiednio dobranej optyce, może rozprowadzać światło wzdłuż drogi, zapewniając korzystniejszą równomierność oświetlenia.
Różnica wynika przede wszystkim z rozkładu światłości w przestrzeni, czyli kierunków emisji i intensywności światła wysyłanego przez oprawę. Rozkład ten zależy między innymi od zastosowanych diod oraz konstrukcji układu optycznego.
Moc elektryczna określa pobór energii, natomiast strumień świetlny informuje o ilości emitowanego światła, uwzględniając czułość ludzkiego wzroku. Żaden z tych parametrów nie opisuje jednak bezpośrednio sposobu oświetlenia konkretnej powierzchni. Do takiej oceny potrzebna jest znajomość charakterystyki rozsyłu światła.
Charakterystyka rozsyłu światła – co opisują parametry fotometryczne?
Podstawową wielkością wykorzystywaną przy analizie optyki jest światłość, wyrażana w kandelach (cd). Określa ona strumień świetlny przypadający na jednostkę kąta bryłowego w danym kierunku. Jej rozkład pozwala ustalić, w które obszary przestrzeni oprawa kieruje najwięcej światła.
W dokumentacji technicznej często podawany jest również kąt rozsyłu, opisujący szerokość wiązki świetlnej. Zwykle wyznacza się go pomiędzy kierunkami, w których światłość spada do połowy wartości maksymalnej. Parametr ten jest przydatny w przypadku opraw o stosunkowo prostej, skupionej wiązce. Nie wystarcza jednak do pełnej oceny bardziej złożonych układów optycznych, szczególnie stosowanych w oświetleniu drogowym i przemysłowym. Szerokość wiązki może być bowiem różna w poszczególnych płaszczyznach.
Istotne znaczenie ma również rozróżnienie rozsyłu symetrycznego i asymetrycznego. W układach obrotowo symetrycznych rozkład światłości pozostaje taki sam wokół osi optycznej. Rozsył asymetryczny umożliwia natomiast kierowanie większej części światła w określone strony, na przykład na jezdnię, przy ograniczeniu emisji poza oświetlany obszar.
Bardziej szczegółowych informacji dostarczają krzywe światłości, przedstawiane najczęściej na wykresach biegunowych. Pokazują one rozkład światłości w wybranych płaszczyznach pomiarowych i pozwalają porównywać charakterystyki różnych układów optycznych.
Jak soczewki kształtują rozsył światła w oprawach LED?
Wiele typowych diod LED charakteryzuje się rozkładem emisji zbliżonym do lambertowskiego, w którym największa światłość występuje w kierunku osiowym i zmniejsza się wraz ze wzrostem kąta odchylenia. Taka charakterystyka nie zawsze odpowiada wymaganiom konkretnej instalacji. Do odpowiedniego ukształtowania wiązki wykorzystuje się optykę wtórną, obejmującą między innymi soczewki i moduły soczewkowe umieszczane nad diodami LED. Ich zadaniem jest zmiana kierunków propagacji światła zgodnie z założonym rozkładem fotometrycznym.
Geometria soczewki wpływa na szerokość wiązki, położenie maksimum światłości oraz sposób rozprowadzenia światła. Odpowiednia konstrukcja umożliwia uzyskanie rozsyłu skupionego, szerokiego lub asymetrycznego.
W oprawach ulicznych stosuje się układy optyczne pozwalające kierować światło zarówno wzdłuż jezdni, jak i w poprzek jej szerokości. Takie rozwiązanie umożliwia dostosowanie charakterystyki emisji do położenia słupów i geometrii oświetlanej drogi.
W praktyce oznacza to, że ten sam moduł LED może współpracować z różnymi wariantami optyki, zapewniając odmienne charakterystyki rozsyłu. Nie oznacza to jednak pełnej zamienności soczewek. Układ optyczny musi być dopasowany do zastosowanych diod, ich rozmieszczenia oraz konstrukcji modułu. Deklarowane parametry fotometryczne odnoszą się do określonej konfiguracji oprawy.
Jak interpretować krzywe fotometryczne opraw LED?
Krzywe światłości przedstawiane na wykresach biegunowych pozwalają analizować kierunki emisji światła. W typowym układzie pomiarowym C-γ kąt γ = 0° odpowiada kierunkowi pionowemu w dół dla oprawy ustawionej w położeniu pomiarowym. Kolejne wartości kąta opisują odchylenie od tego kierunku, natomiast odległość krzywej od środka wykresu odpowiada wartości światłości.
W dokumentacji często przedstawia się charakterystyki w płaszczyznach C0–C180 oraz C90–C270. Są to wzajemnie prostopadłe płaszczyzny pomiarowe, umożliwiające ocenę rozsyłu w dwóch kierunkach. Ich orientację względem oprawy i oświetlanej powierzchni należy zawsze sprawdzić w dokumentacji producenta.
Wartości światłości bywają podawane w jednostkach cd/klm, czyli kandelach na 1000 lumenów strumienia świetlnego przyjętego do normalizacji. Taki sposób prezentacji ułatwia porównywanie kształtu charakterystyk niezależnie od bezwzględnej wartości strumienia.
Przykładowo, jeżeli charakterystyka została znormalizowana względem strumienia całej oprawy, wartość 300 cd/klm przy strumieniu 10 000 lm odpowiada światłości 3000 cd w danym kierunku. Przy analizie wykresu należy zwrócić uwagę przede wszystkim na położenie maksimum światłości, szerokość rozsyłu w poszczególnych płaszczyznach oraz ewentualną asymetrię. Istotne jest również to, jak zmienia się światłość przy większych kątach odchylenia od osi oprawy.
Przykładem wykorzystania różnych układów optycznych jest oprawa uliczna PIKO LED firmy CELJAR Elektronik. W jej dokumentacji przedstawiono warianty optyki oznaczone T2, T3, ME i DWC. Dostępne charakterystyki fotometryczne pozwalają porównać sposób kierowania światła przez poszczególne rozwiązania.
Same oznaczenia wariantów nie zastępują jednak analizy ich rzeczywistych charakterystyk. O przydatności danego układu do konkretnej instalacji powinien decydować rozkład światłości, a nie wyłącznie nazwa zastosowanej optyki.
Warto również pamiętać, że wykresy biegunowe nie pokazują bezpośrednio natężenia oświetlenia na powierzchni ani jego równomierności. Parametry te zależą także od wysokości montażu, rozstawu opraw, kąta ich nachylenia oraz geometrii oświetlanego obszaru. Wykresy umożliwiają ocenę charakteru rozsyłu, natomiast weryfikacja wymagań projektowych wymaga obliczeń fotometrycznych.
Dobór optyki do zastosowania – droga, plac czy hala przemysłowa?
W oświetleniu drogowym istotne znaczenie ma rozsył światła w dwóch kierunkach. Rozkład wzdłuż jezdni wpływa na możliwość uzyskania odpowiedniej równomierności pomiędzy kolejnymi oprawami. Rozsył poprzeczny decyduje natomiast o sposobie oświetlenia całej szerokości drogi i ograniczaniu emisji poza jej obszar. Z tego względu w oprawach drogowych często stosuje się optykę asymetryczną, której charakterystyka musi być dopasowana do szerokości jezdni, wysokości montażu oraz położenia słupów.
Na placach, parkingach i innych terenach otwartych dobór optyki zależy przede wszystkim od kształtu oświetlanej powierzchni oraz rozmieszczenia punktów świetlnych. Na rozległych terenach otwartych można stosować oprawy o szerokim rozsyle światła, natomiast na obrzeżach przydatne są układy optyczne o charakterystyce asymetrycznej, kierujące światło w stronę oświetlanej powierzchni.
W halach przemysłowych jednym z najważniejszych czynników jest wysokość zawieszenia opraw. Przy dużych wysokościach węższy rozsył może ułatwiać kierowanie światła na wymagane powierzchnie. Przy niższym montażu szersza charakterystyka może sprzyjać równomiernemu oświetleniu większego obszaru.
Odpowiedni dobór zależy jednak również od rozmieszczenia maszyn, regałów, ciągów komunikacyjnych i stanowisk pracy. W takich miejscach znaczenie ma nie tylko poziom natężenia oświetlenia, lecz także jego równomierność i ograniczenie olśnienia.
W każdym przypadku optyka, wysokość montażu i rozstaw opraw tworzą wzajemnie powiązany układ. Zmiana jednego z tych parametrów może wpływać na wynik całego projektu. Dlatego uniwersalne zalecenia dotyczące odległości pomiędzy oprawami, nieuwzględniające konkretnej geometrii instalacji, nie stanowią wystarczającej podstawy do ich doboru.
Materiał soczewek a sprawność układu optycznego
Właściwości materiału optycznego mają wpływ zarówno na sprawność układu, jak i trwałość jego parametrów. Podczas przechodzenia światła przez soczewkę występują straty wynikające między innymi z odbicia na granicach ośrodków oraz pochłaniania w materiale.
Znaczenie ma zatem przepuszczalność światła, ale również geometria soczewki i sposób współpracy układu optycznego z diodami LED.
W oprawach zewnętrznych istotna jest ponadto odporność materiału na promieniowanie UV, zmiany temperatury i oddziaływanie czynników środowiskowych. Degradacja powierzchni optycznej może prowadzić do zmniejszenia przepuszczalności, zwiększenia rozpraszania światła, a w konsekwencji do zmiany charakterystyki rozsyłu.
Jednym z materiałów wykorzystywanych do produkcji soczewek jest PMMA, czyli polimetakrylan metylu. CELJAR Elektronik stosuje go między innymi w optyce oprawy PIKO LED, wskazując na jego właściwości przepuszczania światła oraz odporność na promieniowanie UV.
Przy ocenie trwałości układu optycznego należy jednak uwzględnić nie tylko sam materiał, lecz także jego konkretną odmianę, warunki temperaturowe pracy, konstrukcję oprawy oraz ochronę przed czynnikami zewnętrznymi.
Jakie dane są potrzebne do prawidłowego doboru oprawy LED?
Podstawą właściwego doboru optyki jest analiza kompletu parametrów fotometrycznych. Sam strumień świetlny lub skuteczność świetlna wyrażona w lm/W nie wystarczają do określenia, czy oprawa zapewni wymagany rozkład oświetlenia. Projektant powinien dysponować charakterystyką światłości, a najlepiej także cyfrowymi danymi fotometrycznymi w formacie LDT lub IES. Pliki te umożliwiają wykorzystanie charakterystyk opraw w programach do projektowania i obliczeń oświetleniowych.
Istotny jest również strumień świetlny całej oprawy, a nie wyłącznie zastosowanych diod LED. Uwzględnia on bowiem straty występujące w kompletnym urządzeniu, w tym w układzie optycznym. Do przeprowadzenia obliczeń potrzebne są także informacje o wysokości montażu, kącie nachylenia i rozstawie opraw oraz wymiarach oświetlanej powierzchni.
Dopiero zestawienie danych fotometrycznych z geometrią instalacji pozwala sprawdzić, czy wybrana oprawa spełni wymagania konkretnego projektu.
Dwie oprawy o identycznej skuteczności świetlnej mogą więc zapewniać odmienne rezultaty w tych samych warunkach montażowych. Skuteczność świetlna określa relację emitowanego strumienia do pobieranej mocy, natomiast charakterystyka rozsyłu wskazuje, w jakich kierunkach światło jest emitowane. To właśnie połączenie obu tych informacji z wynikami obliczeń fotometrycznych umożliwia prawidłowy dobór układu optycznego.
Źródło: CELJAR Elektronik
Więcej na www.celjar.pl
