مفاهیم روشنایی

بهره نوری (Luminous Efficacy)

این عدد كه در واقع نسبت شار نوری خارج شده از لامپ به توان مصرفی آن است، نشان دهنده كارایی و بهره‌وری لامپ است، هر چه این عدد بالاتر باشد به این معنی است كه لامپ با مصرف انرژی كمتر، نور بیشتری تولید می‌كند و به عبارت دیگر هر چه بهره‌نوری یك لامپ بیشتر باشد ، آن لامپ از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه‌تر است. بهره‌نوری را با (η)(اتا) نشان می‌دهند و واحد آن لومن بر وات است.
بهره‌‌نوری برخی از لامپ‌های به طور تقریبی به شرح زیر است:
لامپ‌های التهابی 100 وات : 14 لومن بر وات
لامپ فلورسنت 36 وات (T8): 80 لومن بر وات
لامپ متال هالاید 70 وات : 90 لومن بر وات

 

مقایسه تفاوت روشنایی یك محیط كار با سه رنگ نور متفاوت:

توصیف فیزیکی نمود رنگ

اشیا رنگی، زمانی با رنگ مناسب دیده می‌شوند، كه رنگ‌های موجود در آنها در طیف نور تابیده شده به آنها موجود باشد. به عنوان مثال، در صورتی كه در طیف نور یك لامپ، رنگ قرمز موجود نباشد، اشیای قرمز رنگ به صورت مناسب دیده نمی‌شوند. شكل زیر نمایش یك گل را در زیر نور خورشید و زیر نور زرد رنگ لامپ‌های بخار سدیم نشان می‌دهد.

 

 

درصد بازتاب رنگ در 5 گروه كلی به شرح زیر مشخص می‌شود:

گروه:
1A: درصد بازده رنگ عالی (90 تا 100 درصد)
1B: درصد بازده رنگ خیلی خوب (80 تا 90 درصد)
2A: درصد بازده رنگ متوسط (60 تا 70 درصد)
2B: درصد بازده رنگ قابل قبول (50 تا 60 درصد)

حفظ شار نوری

نسبت شار نوری یک لامپ در زمان معینی از طول عمر به شار نوری اولیه که تحت شرایط تعیین‌شده اندازه‌گیری می‌شود. شار نوری یک لامپ با گذر زمان کاهش می‌یابد و عوامل زیادی نظیر گرما بر روی آن تاثیر گذار است. در اکثر منابع نوری پایان طول عمر لامپ هنگامی است که لامپ بسوزد و هیچ نوری از خود ساطع نکند، ولی در منبع نور ال‌ای‌دی هنگامی که شار نوری لامپ به %70 شار نوری اولیه برسد، به پایان عمر خود رسیده است و به همین دلیل در تعریف طول عمر، عامل دیگری به نام حفظ شار نوری نیز وارد شده است. مقایسه میزان حفظ شار نوری انواع مختلفی از لامپ‌ها در نمودار زیر ارائه شده است:

درجه حفاظت (IP)

بر اساس استانداردهای بین المللی، درجه حفاظت تجهیزات با حروف IP به همراه دو عدد نشان داده می شود که عدد اول سمت چپ نشان دهنده درجه حفاظت در برابر ورود اجسام خارجی و گرد و غبار و عدد دوم نمایانگر میزان حفاظت در برابر ورود آب و رطوبت است.

 

دمای رنگ (Color Temperature)

دمای رنگ عددی است كه بر حسب كلوین بیان می‌شود و به نوعی بیان‌كننده رنگ نور خروجی می‌باشد. هر چه این عدد بالاتر باشد رنگ نور بیشتر به محدوده رنگهای سرد و سفید نزدیك‌تر است و هر چه این عدد كوچكتر باشد رنگ نور به محدوده رنگ‌های گرم (نظیر رنگ نور ناشی از لامپ‌های التهابی) نزدیكتر است. به عنوان مثال وقتی گفته می‌شود دمای رنگ یك لامپ فلورسنت 4000 كلوین است به این معنی است كه اگر جسم سیاه را تا 4000 درجه كلوین گرم كنیم، نوری به رنگ لامپ فلورسنت فوق منتشر می‌كند. دمای رنگ یك لامپ رشته‌ای حدود 2800 كلوین است.
جسم سیاه می‌تواند یك قطعه فلز ( مثلاً پلاتین) باشد كه كلیه نوری كه به آن منتشر می‌شود را جذب می‌كند و در واقع ضریب انعكاس آن برابر با صفر است.

شكل زیر، مفهوم دمای رنگ و گرم كردن جسم سیاه را به خوبی نشان می‌دهد، در این شكل مشاهده می‌كنیم كه هر چه دمای جسم سیاه بالاتر می‌رود، رنگ نور به محدوده رنگ‌های سفید نزدیك‌تر می‌شود.

 

 

به جای بیان دمای رنگ به صورت عدد، شركت‌های سازنده لامپ نامی را كه بیانگر دمای رنگ لامپ باشد به اختصار برگزیده‌اند، این نام‌ها به شرح زیر هستند:
روشنایی روز (Daylight): 6000 كلوین
سفید سرد (Cool White): 4000 كلوین
سفید (White): 3500 كلوین
آفتابی (Warm White): 3000 كلوین
 طبیعی: 2700 كلوین

کلوین:

کلوین با نماد K یکای اندازه‌گیری دما است که بر اساس مقیاس مطلق بیان می‌شود. این یکا، یکی از هفت یکای اصلی سامانه استاندارد بین‌المللی یکاها است. رابطه بین درجه سلسیوس و کلوین مطابق فرمول زیر است:

C = K - 273

رتبه انرژی

رتبه انرژی، تعین‌کننده معیارها و مشخصات فنی مصرف انرژی لامپ‌های الکتریکی می‌باشد. برچسب مصرف انرژی یكی از مواردی است كه بايستی حتماً بر روی جلد لامپ درج شود. اين برچسب نمايانگر گروه و رتبه مصرف انرژی محصول بوده و لامپ در يكی از گروه‌های ++A تا E قرار می‌گيرد. گروه ++A كمترين مصرف انرژی و گروه E بيشترين مصرف انرژی را دارد.

زاویه تابش

طراحی و ساختار اغلب لامپ‌های رشته‌ای و کم‌مصرف به گونه‌ای است که نور خروجی آنها در تمامی جهات می‌تابد و به عنوان منابع نوری غیر جهت‌دار یا همه‌سو‌تاب محسوب می‌شوند. در صورتی که در لامپ‌های LED به کمک تکنولوژی ساخت، علاوه بر تنوع در شکل، فرم، ابعاد و ساخت لامپ‌های همه‌سو ‌تاب و غیرجهت‌دار، امکان ویژه و خاص تولید لامپ‌های غیرجهت‌دار و متمرکز نیز میسر است. در لامپ‌های جهت‌دار، عمده نور ساطع شده از منبع نوری، در جهت و زاویه تابش معینی متمرکز، هدایت و تابیده می‌شود. در این دسته از لامپ‌ها، دو کمیت به نام‌های زاویه تابش و شدت نور تعریف می‌گردند. زاویه تابش در لامپ‌های LED، زاویه بین دو خط فرضی است که در صفحه عبوری از محور پرتو نور در نظر گرفته می‌شود که این خطوط از روی نقاطی می‌گذرند که شدت نور در آن نقاط %50 شدت نور در محور پرتو است. اگر دو لامپ با شار نوری یکسان دارای زاویه تابش‌های متفاوتی باشند، نور تابیده شده از لامپ با زاویه تابش کمتر، درخشان‌تر از نور تابیده شده از لامپ با زاویه تابش بیشتر، دیده می‌شود.

شاخص بازده رنگ (Color Rendering Index)

همه ما این تجربه را داشته‌ایم که رنگ اشیا زیر نور لامپ‌های مختلف، متفاوت از آنچه زیر نور خورشید دیده می‌شوند، به نظر می‌رسند. حال چنانچه نور خورشید را به عنوان یک نور ایده‌آل و مرجع برای تشخیص دقیق رنگ‌ها فرض نماییم، شاخص بازده یا نمود رنگ عددی خواهد بود که نشان می‌دهد به چه میزان رنگ اشیا زیر نور یک لامپ، به رنگ استاندارد آن‌ها (یعنی زیر نور خورشید) نزدیک‌تر است. این شاخص نشان می‌دهد كه نور منتشر شده توسط لامپ تا چه اندازه رنگ‌ها را واقعی نشان می‌دهد. CRI در مورد لامپ‌ها عددی بین 20 تا 100 است و هر چه این عدد بالاتر باشد نمود رنگ واقعی‌تر است، بنابراین برای جاهایی كه نمایش واقعی رنگ اهمیت زیادی دارد نظیر نساجی، اتاق رنگ صنایع خودرو سازی، اتاق گریم و آرایش و ... استفاده از لامپ‌های با بازده رنگ بالا توصیه می‌شود. اگر شاخص نمود رنگ را برای نور خورشید برابر 100 فرض کنیم، محدوده آن برای لامپ‌های مختلف مطابق جدول زیر خواهد بود:

 

تاثير بازتاب رنگ

شار نوری

كل نور خارج شده از یك منبع نوری در واحد زمان در تمام جهات در فضا را شار نوری می‌گویند. واحد شار نوری «لومن» می‌باشد كه با «Lm» نشان می‌دهند. در اصطلاحات مربوط به محاسبات روشنایی، شار نوری را با (Φ) نشان می‌دهند. شار نوری جزو مشخصات هر لامپ است و توسط شركت‌های سازنده لامپ در كاتالوگ محصولات درج می‌شود. بنابراین هر چه شار نوری یك لامپ بیشتر باشد لامپ پر نورتر است.

 

 

شار نوری خروجی از لامپ

نكته‌ای كه باید در مورد شار نوری در نظر داشت این است كه عددی كه به عنوان شار نوری در كنار مشخصات لامپ درج می‌شود در واقع شار نوری اولیه لامپ است، اغلب لامپ‌ها پس از اینكه مدتی از عمرشان گذشت شار نوری آنها افت می‌كند، این افت شار نوری به دلیل فرسودگی و كاهش كارایی اجزای مختلف تشكیل دهنده ساختمان لامپ نظیر ماده فلورسنت، گاز داخل محفظه، تبخیر فیلامان تنگستن و ... می‌باشد. بنابراین داشتن ثبات شار نوری در ابتدا و انتهای طول عمر یك مزیت برای لامپ محسوب می‌شود كه در هنگام تهیه لامپ باید به این نكته توجه كرد. به عنوان مثال شار نوری چند نوع لامپ متداول جهت داشتن درك بهتر از مفهوم شار نوری ذكر می‌گردد:
لامپ التهابی (لامپ رشته‌ای معمولی) 100 وات: 1360 لومن
لامپ فلورسنت T8 استاندارد 36 وات: 2300 لومن
لامپ متال هالاید دو سر 70 وات: 6500 لومن

شدت روشنایی (Illuminance)

مقدار شار نوری كه به واحد سطح (1 متر مربع) می‌رسد را شدت روشنایی می‌گویند و با E نشان می‌دهند. واحد شدت روشنایی "لوکس" (Lux) است و یكی از پارامترهای مهم در محاسبات روشنایی می‌باشد.

 

شدت روشنایی متوسط یك سطح، میزان شار نوری در واحد سطح است.

 

در انجام محاسبات روشنایی ابتدا مقدار شدت روشنایی مورد نیاز در محیط با توجه به جداول استاندارد مشخص می‌گردد. در این جداول شدت روشنایی در هر فضا بر اساس نوع فعالیتی كه قرار است در آن محیط صورت بگیرد و میزان دقت مشخص می‌گردد. به عنوان مثال بر اساس استاندارد شدت روشنایی مورد نیاز برای سالن‌های تعمیر قطعات كوچك نظیر تعمیر ساعت و ... 500 لوكس و شدت روشنایی مورد نیاز برای دفتر كار 200 تا 300 لوكس بوده و برای تامین روشنایی یك انبار كم تردد یا پاركینگ 50 لوكس كافی است.

 

شدت روشنایی مورد نیاز در مکان‌های مختلف - استاندارد DIN5035

بنابراین به زبان ساده‌تر شار نوری میزان نوری است كه از لامپ خارج می‌شود و شدت روشنایی، آن میزان از نور است كه پس از منتشر شدن توسط لامپ و بازتاب‌های مختلف در نهایت به سطح می‌رسد.
جداولی وجود دارد كه توسط موسسات استاندارد تدوین گردیده و شدت روشنایی مورد نیاز در هر محلی توسط این جداول تعیین می‌گردد. باید خاطر نشان ساخت این استانداردها اغلب نمی‌توانند به صورت جهانی مورد استفاده قرار گیرند چرا كه نور و روشنایی تا حد زیادی به ویژگی‌های فرهنگی و علایق مردم ارتباط دارد.

شدت نور (Luminous Intensity)

میزان شار نوری خارج شده در واحد زاویه فضایی را شدت نور گفته آنرا با (I) نشان می‌دهند. به بیان دیگر یك لامپ شار نوری را در تمام جهات و با شدت و ضعف متفاوت منتشر می‌كند، میزان نور انتشار یافته در یك جهت خاص در فضا را شدت نور می‌گویند و واحد آن (cd) یا كاندلا یا شمع است.

با توجه به اینكه لامپ‌های رفلكتوری نور را در جهت خاصی از فضا منتشر می‌كنند (نظیر لامپ‌های هالوژن رفلكتوری) لذا برای ذكر میزان نور خارج شده از این لامپ‌ها از واحد كاندلا استفاده می‌شود. بنابراین بدیهی است كه برای دو لامپ با مشخصات یكسان و كاملاً مشابه كه تنها زوایای رفلكتور آنها با یكدیگر متفاوت است، آنكه زاویه رفلكتور آن كوچكتر است شدت نور بیشتری دارد چرا كه عملاً كل شار نوری منتشر شده از لامپ در زاویه محدودتری متمركز می‌شود و لذا شدت نور بیشتر می‌شود. اگر دو لامپ با شار نوری یکسان دارای زاویه تابش‌های متفاوتی باشند، نور تابیده شده از لامپ با زاویه تابش کمتر، دارای شدت نور بیشتری از لامپ با زاویه تابش بیشتر است. برای لامپ‌های رفلكتوری یك منحنی قطبی به عنوان بخشی از مشخصات لامپ درج می‌شود كه نشانگر شدت نور در زوایای مختلف است و برای طراحی روشنایی باید از آن‌ها استفاده كرد.

ضریب توان

ضریب توان در یک سیستم الکتریکی AC اصطلاحی است که به نسبت توان واقعی به توان ظاهری گفته می‌شود و مقداری بین ۰ تا ۱ دارد. توان واقعی در واقع توانایی یک مصرف‌کننده برای تبدیل انرژی الکتریکی به دیگر شکل‌های انرژی را نشان می‌دهد در حالی که توان ظاهری در اثر وجود اختلاف بین ولتاژ و جریان پدید می‌آید. ضریب توان با واحد PF (Power Factor) نمایش می‌دهند و بعنوان ضریبی در فرمول توان مورد استفاده قرار می‌گیرد:

 

P = V × I × PF

طول عمر لامپ

مقدار طول عمر هر نوع لامپ برطبق استاندارد ملی مربوطه اندازه گيری و برحسب ساعت در برچسب انرژی اعلام می‌شود. محاسبه طول عمر با توجه به اندازه‌گیریهای آزمایشگاهی کمپانی‌ها و در نظر گرفتن پارامترهای نرخ انرژی، شار نور، مواد مورد استفاده، تکنولوژی ساخت و . . . مورد محاسبه تقریبی قرارمی‌گیرد. به منظور مقایسه بهتر، طول عمر متوسط انواع لامپ در جدول زیرارائه شده است:

منحنی پخش نور

یا توزیع شدت نور، منحنی‌ای است که برای مشخص‌کردن شدت نور منتشرشده توسط یک لامپ در زوایای مختلف به کار می‌رود. از آنجایی که بیشتر منابع نوری نقطه‌ای نیستند، بنابراین شدت نوری ثابتی در جهات مختلف ندارند. در محاسبات نوری دانستن نحوه توزیع نور منبع اهمیت دارد به همین خاطر سازندگان لامپ‌های مختلف منحنی پخش نور آن لامپ را با استفاده از اندازه‌گیری ارائه می‌کنند. یکی از معمول‌ترین روش‌ها برای نمایش منحنی پخش نور استفاده از منحنی قطبی است و با توجه به این که در بسیاری از چراغ‌ها پخش نور نسبت به محور عمود چراغ متقارن است و تنها یک منحنی در یکی از صفحات قائم برای مشخص‌شدن پخش نور کافیست.

 

میزان خرابی (LX FY)

LX: مدت زمانی که طی آن لامپ LED، کمینه درصد ادعا شده از شار نوری اولیه را در شرایط استاندارد فراهم می‌کند.

Y :FYدرصد از تعداد لامپ‌های ال‌ای‌دی از نوع یکسان است که در طول عمر اسمی خود درصدی از خرابی‌ها را دارند. این معیار برای لامپ‌های ال‌ای‌دی بالاست سرخود معمولی، 10 یا 50 درصد در نظر گرفته شده که با F10 یا F50 نشان داده می‌شود.

نمودار كروماتیسی رنگ

انجمن بین‌المللی مهندسین روشنایی، رنگ‌های مختلف را به صورت یك مثلث بیان كرده است كه به عنوان مرجع مورد استفاده قرار می‌گیرد. رنگ نورهای موجود در نور خورشید، مرزهای این منحنی را مشخص می‌كند. منحنی نشان داده شده بر روی این مثلث، دمای رنگ‌های مختلف را بر روی این مثلث مشخص می‌كند.

 

 

بیشتر بخوانید: