Разоблачаем мировой заговор или как измерить световой поток светодиодов на коленке

ДомойТочность превыше всегоЛюксметр. Знакомство с прибором для измерения освещённости

Люксметр, по-видимому, — какой-то измерительный прибор. Но что за величину он контролирует, не каждый даст вразумительный ответ. Хорошо, если вспомнят об освещении в комнате или на рабочем месте. И действительно, аппарат предназначен для измерения одной из характеристик световой обстановки. Постараемся подробно осветить этот вопрос: назначение, принцип действия устройства и методы его использования.

Немного теории

В интернете наблюдается большая путаница в научно-технических терминах, касающихся области светотехники. Один и тот же прибор называют по-разному. Рассматриваемое устройство — люксметр, например, иногда выдают за измеритель светового потока, хотя это не так.

Световой поток — это характеристика осветительного элемента, и говорить об этой величине можно только относительно конкретного источника освещения (лампы накаливания, газоразрядного элемента, светодиода и т. д.). Единицей этой характеристики в системе СИ является люмен (лм). Это сила света в 1 канделу (кд) в телесном угле 1 стерадиан (ср).

Измеряют этот параметр с помощью фотометрического шара (сферического интегратора) диаметром 1 или 2 метра, либо настольными интегрирующими сферами размером от 10 см до полуметра. Все эти приборы, естественно, не для бытового применения, поскольку цена даже небольшого отечественного прибора ТКА-КК1 для контроля светодиодов составляет 35 000 рублей.

Поток света, действующий на единицу площади, выражается освещённостью. Единица этой характеристики — люкс (лк) — результат освещения поверхности в 1 м² потоком, равным 1 люмену. Понятие «освещённость» относится не к источнику освещения, а к окружающей среде. Световой поток есть величина постоянная для каждого источника, в то время как освещённость в каждой точке помещения зависит от нескольких факторов:

• количества источников, находящихся рядом с местом измерения;
• светового давления каждого из них;
• расстояния до источников;
• отражающей способности предметов обстановки.

Что такое люксметр и для чего он нужен?

«Измеряй все, поддающееся измерению, а что не поддаётся — сделай измеряемым» — этот афоризм, приписываемый Галилею, подтверждает, что освещённость тоже можно измерить. Поскольку её единицей служит люкс (по-гречески — свет), то и прибор для измерения освещённости называется люксметр (метр — измеряю). Применяется как внутри помещения, так и на открытом пространстве. В каких случаях он используется?

Установлено, что как слабый, так и чрезмерно яркий свет действует неблагоприятно на протекающие в мозгу процессы. При недостатке освещения падает работоспособность, снижается концентрация внимания, возникает сонливость. Излишне яркий свет приводит к возбуждению нервной системы. И то, и другое создаёт предпосылки для несчастного случая. Поэтому в число плановых мероприятий по охране труда на рабочих местах входит и проверка освещения рабочих мест. ГОСТ Р 55710-2013 устанавливает нормы освещённости (в люксах) помещений различного назначения. Упрощенно, в офисе согласно санитарным нормам и правилам (СНИП) освещённость должна быть от 200 до 300 лк.

Процесс фотосинтеза у растений, в результате которого вырабатываются питательные вещества из углерода воздуха, происходит под воздействием света. При этом растения по-разному реагируют на температурные условия и уровень освещённости. Практически все культурные растения и большинство овощей хорошо развиваются в условиях умеренного освещения. Другие виды требовательны к высокой температуре и освещённости. Поэтому люксметры используют для контроля и поддержания требуемой освещённости для различных культур в тепличных хозяйствах, оранжереях, ботанических садах.

Устройство и принцип работы

Основой любого люксметра является фотоэлемент — полупроводниковое устройство, в котором световые кванты передают свою энергию электронам, в результате чего возникает электрический ток. Сила тока пропорциональна величине освещённости в том месте, где находится фотоприемник.

Другим элементом люксметра служит аналоговый или цифровой индикатор. В механических устройствах электрический ток, преобразуемый гальванометром, вызывает вращательное движение стрелки указателя. В цифровых приборах аналоговый сигнал (электрический ток) с помощью оптико-электронного конвертора преобразуется в цифровой с отображением результата на жидкокристаллическом дисплее. Конструктивно оба узла (фотоприемник и преобразователь) выполняются либо в виде самостоятельных элементов, соединённых между собой проводом, либо в общем корпусе.

Моноблок лучше подходит для оперативного проведения замеров, поскольку меньше весит и удобнее в работе. Однако возникают неудобства при измерении в труднодоступных местах, с разных направлений и регистрации при этом показаний. Поэтому при проведении аттестации рабочих мест чаще всего используют приборы с вынесенным фотодатчиком. Рассмотрим некоторые из наиболее распространённых моделей.

Прибор для измерения освещенности Ю-116

Устройство ещё советской разработки Ю-116 в диапазоне от 1 до 100 000 лк. Состоит из 2-х частей: селенового фотоэлемента и стрелочного гальванометра, служащего для замера показаний. Хранится в футляре в разобранном виде, что обеспечивает надёжную защиту от повреждений. Перед работой фотоприемник соединяют с преобразователем с помощью вилки.

На шкале измерителя имеются 2 концентрические дуговые шкалы. Внутренняя проградуирована от 0 до 30 лк, наружная — от 0 до 100. На фотоэлемент одета светорассеивающая насадка, состоящая из белой полупрозрачной пластмассы и непрозрачного кольца. Обозначена она буквой «К», измерения с ней производятся в указанных выше диапазонах. Имеются ещё 3 фильтра-насадки: М, Р и Т. При установке их параллельно с базовой насадкой К диапазон измерения увеличивается соответственно: в 10, 100 и 1000 раз.

Две кнопки на панели прибора предназначены для переключения с одной шкалы на другую. Когда включена левая кнопка, измерения производятся в диапазонах: 0 – 30, 0 – 300, 0 – 3000, 0 – 30 000 (при установке соответствующих насадок). При включённой правой: 0 – 100, 0 – 1 000, 0 – 10 000, 0 – 100 000. Кроме кнопок на корпусе имеется корректор для установки стрелочного индикатора в нулевое положение.

Люксметр Ю-117 отличается от предшественника лишь большим количеством кнопок. Вместо двух клавиш переключения шкал прибор оснащён пятью кнопками переключения диапазонов, благодаря чему повышается точность измерения. Добавлены также кнопки включения прибора, контроля питания и регулятор установки на ноль. Питание обеих моделей автономное — от гальванического элемента типа «Крона» напряжением 9 В. Цена приборов у разных продавцов — от 6 до 10 тысяч рублей.

Как пользоваться люксметром?

Быстро и безопасно для фотоприемника найти нужный диапазон измерения можно, если действовать в определённой последовательности:

1. Установите на фотоприемник насадки с максимальным светопоглощением (К и Т), включите правую кнопку, что соответствует измерению максимальной освещённости — 100 000 лк. При отсутствии реакции измерительной стрелки включите левую (до 30 000 лк).
2. Если стрелка не шевелится, замените фильтр на более прозрачный (Р) и включайте в той же последовательности: сначала правую кнопку, затем левую.
3. При отсутствии шевеления установите мягкий фильтр (М) и произведите аналогичные манипуляции.
4. Если в этом случае при нажатой левой кнопке результат будет менее 5 лк, снимите базовую насадку К и заканчивайте поиск.

Чтобы отодвинуть измеряемую величину от области перекрытия двух шкал (в районе 5 – 20 делений), рекомендуется отсчёт измерения начинать с 5 делений по внутренней шкале, или с 20 по наружной. Для этой цели на шкалах отмечены точки начала отсчёта.

Помните: избыточное освещение селенового фотодатчика может повлиять на правильность измерений, поэтому соблюдайте приведённую последовательность действий.

Люксометры Testo

Один из современных измерителей освещённости, наиболее популярных в России — цифровой люксметр Testo 540 (Германия). Прибор выполнен в одном объёме, фотоэлемент интегрирован с корпусом, благодаря чему повышается удобство использования: отсутствует соединительный провод, который может за что-то зацепиться, измерения можно производить одной рукой.

Формой и габаритами девайс напоминает сотовый телефон. Для индикации показаний служит такой же дисплей, а клавиатура содержит всего 3 кнопки: включения, выбор системы измерения (СИ или американская — фут-свеча) и сохранения результатов. Диапазон измерения: 0 – 100 000 лк или 0 – 93 000 фут-свечей.

Прибор как нельзя лучше подходит для применения в повседневной жизни. С его помощью можно измерять уровень освещения в жилых комнатах, школах, детских садах, в теплицах, помещениях для хранения картофеля и так далее. Обращаться с девайсом предельно просто: нажал кнопку включения, выбора системы (треугольник) и — все. Результат высветится практически мгновенно. Для сохранения результата измерения следует нажать кнопку «mode».

Цифровой прибор Testo 545 относится к классу профессиональных устройств для измерения освещённости среды. Светоприемник выполнен отдельно от электронного блока и соединяется с ним проводником. Отличается от младшего брата большими функциональными возможностями:

• память для хранения до 3000 результатов измерений;
• сохранение в памяти 99 мест измерения;
• подключение к персональному компьютеру;
• построение объёмного графика величины освещенности в пределах помещения;
• распечатка данных на принтере.

Этот прибор используется в процессе измерении освещенности зданий, сооружений, а также улиц, дорог и других общественных мест. Цена люксметра Testo 540 сравнима с ценой прибора Ю-116 (около 10 тысяч), а Testo 545 продается за 35 тысяч рублей.

Люксметр является одним из наиболее доступных и в то же время эффективных приборов для измерения параметров освещённости объекта. Его использование обеспечивает комфортные условия для человека, как в производственной обстановке, так и в повседневной жизни. Надеемся, что предложенная статья поможет вам сориентироваться, выбирая прибор с нужными возможностями за приемлимую цену.

Все вы, наверное, слышали про мировой заговор. Масоны, инопланетяне и евреи Производители электрических лампочек вступили в него сто лет назад, чтобы лампочки не служили вечно, а перегорали каждый месяц и жрали уйму электричества. И только сейчас путы заговора разорваны и лампочковые магнаты раздавлены великой империей Китая, завалившей весь мир вечными и экономичными светодиодными лампами. Но не расслабляйтесь – мировой заговор не сдается. Теперь он явился в виде Великой Светодиодной Ложи Лажи Лжи. Короче, все врут (с).

Шутки шутками, а в той или иной степени врут, наверное, все производители LED-светотехники. Кто-то нагло и откровенно, кто-то так, слегка подвирает – но так или иначе, кажется, нет ни одной фирмы, которая не завышала бы параметров своих изделий. Разными способами – кто-то просто пишет красивые цифры от фонаря, порой запредельные с точки зрения здравого смысла. А кто-то – просто пишет характеристики вполне правдивые, но полученные в условиях, далеких от реальных условий эксплуатации. Например, световой поток, измеренный при температуре 25°С в импульсном режиме. Так или иначе, а 15-20% «припуска на вранье» давать придется.

Освещенность измерить просто, световой поток – сложно и дорого. Необходимо собрать весь свет, испущенный лампой и в равной степени учесть лучи по всем направлениям. То есть, нужен фотоприемник в виде полой сферы с одинаковой светочувствительностью каждого участка ее поверхности. Изготовление такой фотометрической сферы и ее последующая калибровка – задача весьма непростая.

Другой подход – по точкам промерить диаграмму направленности источника света и проинтегрировать по всей сфере. Но и это непросто: надо иметь солидных размеров темное помещение с темными стенами. И гониометрическая головка с двумя осями нужна, желательно с автоматическим приводом, чтобы не задолбаться вручную выставлять углы для каждой из нескольких сотен точек.

Впрочем, есть пара частных случаев, которые часто встречаются на практике и для которых можно ограничиться одним измерением. Об одном из них я и хочу поведать хабрасообществу.

Этот частный случай – плоский косинусный излучатель. Косинусным называется такой излучатель, яркость которого не зависит от угла между нормалью к его поверхности и направлением на наблюдателя. Диаграмма направленности такого излучателя определяется исключительно геометрией – а именно видимой площадью поверхности. И для плоского косинусного излучателя существует простое соотношение между световым потоком и силой света в направлении нормали к плоскости:

.

То есть достаточно измерить люксметром освещенность в метре от источника света и умножить ее на 3,14 – и мы уже имеем величину светового потока (либо, если расстояние не равно метру, его придется учесть по закону обратных квадратов). Разумеется, источник света должен быть много меньше расстояния до люксметра – иначе закон обратных квадратов работать не будет и результат измерения будет завышен.

Какие же источники света можно с достаточной для практики точностью считать плоскими косинусными излучателями? Это практически любые белые осветительные светодиоды без линзы и плоские сборки на их основе. Всевозможные китайские 5730, 2835, 5050, 3030 и прочие, что встречаются обычно в светодиодных лампах с алиэкспресса, а также продаются там же отдельно в катушках за копейки – это оно. А также матрицы. И китайские квадратные на 10 ватт, и Cree CXA и CXB. А вот для любых светодиодов с линзой, а также для светодиодов без люминофора (например, RGB) такой метод не годится — их диаграмма направленности существенно отличается от косинусной. Плоские светильники, встраиваемые в потолок и закрытые молочным стеклом, также неплохо соответствуют этой модели.

Итак, давайте уже что-нибудь измерим. В качестве подопытных кроликов у нас сегодня:

1. Сборка китайская на 90 ватт из 156 светодиодов 5730 (в каждом по два кристалла 13х30 mil) со встроенным драйвером на CYT3000B. По заверениям китайцев, должна давать 9200 лм.

Потребляемая мощность по приборам — 85 Вт, на ней и остаемся.

2. Матрица CXA2530, новая версия, 3000 кельвин, Ra>80. Световой поток при 800 мА и 85°С согласно даташиту — не менее 3440 лм, а при 25°С (такой температуры не бывает, если только не захолодить сам светодиод до температуры ниже нуля — тепловое сопротивление не даст) — не менее 4150 лм.

Заводим на токе 800 мА, потребляемая мощность составила 28,64 Вт.

3. HPR20D-19K20 — древняя, как мамонт (покупалась году в 2010, если не раньше) матрица на 20 ватт фирмы HueyJann, похожая на нынешние 10-ваттные матрицы, отличается от них большим количеством кристаллов под люминофором — их 16 штук вместо девяти (4 штуки последовательно в каждой из четырех параллельно включенных цепочек). Заявлено 1830 лм при токе 1,7 А, реально на глаз не ярче, чем CXA2011 с подводимой мощностью 11 Вт.Запускаем на паспортном токе 1,7 А, напряжение составило 12,2 В, мощность 20,74 Вт.

Освещенность измеряем люксметром UT382 (Uni-T), на «глазок» которого надеваем бленду из черной бумаги, чтобы не ловил отраженный от стен свет в неподготовленном помещении. Расстояние во всех случаях — метр. Результаты в таблице.

Выходит, что световой поток китайской сборки соответствует заявленному (в пределах погрешности люксметра), у Cree’шной матрицы тоже все в пределах даташита (учитывая, что температура ее неизвестна), а вот у HueyJann’овской матрицы обещанных люменов нет и близко.

Но что-то затерзали меня смутные сомнения: 9000 с хвостиком люмен при 85 ваттах, учитывая КПД драйвера 80% и при том, что светодиоды работают далеко не в облегченном режиме, по полватта на корпус, а пиковый ток вдвое больше среднего (никакого фильтрующего конденсатора у этих плат нет) — это очень даже круто. Вдобавок как-то не видно от этой сборки значительно большей освещенности в комнате по сравнению с люстрой, в которой пять лампочек по 950 лм (энергосберегайки).

Подозрение падает на люксметр — не все из них адекватно измеряют светодиодные источники. Те из них, что сделаны на базе фотодиода BPW21R, имеют очень приблизительное соответствие спектральной чувствительности стандартной кривой видности, и относительная чувствительность к излучению 450 нм (это длина волны, соответствующая синему пику, имеющемуся в спектре почти всех белых светодиодов) превышает относительную чувствительность глаза в этой области в несколько раз. В данном приборе фотоприемник другой, что и являлось одним из критериев при выборе прибора, но все же сходим в охрану труда и возьмем другой люксметр. Это оказался ТКА-Люкс. В его методике поверки содержится проверка спектральной характеристики, то есть она должна соответствовать кривой видности с нормируемой погрешностью. Повторяем измерения с ним. Вот результаты:

Ну что тут сказать? Врут не только производители светодиодных ламп, но и мой люксметр. Причем врет, как и ожидалось, по-разному для разных светодиодов. Для матрицы CXA2530 разница с профессиональным аппаратом минимальная, скорее в пределах погрешности обоих приборов. Но у этой матрицы провал в спектре почти незаметен, если смотреть через компакт-диск (реально он, конечно, есть). А вот остальные подопытные «провалились» прилично. И теперь прекрасно видно, что до заявленных люменов они не дотягивают более чем заметно: китайская 90-ваттная сборка — на 25%, а матрица HPR20D-19K20 — почти вдвое.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

1. Да, описанным образом можно оценить световой поток, испускаемый светодиодами, матрицами и сборками (в пределах описанного частного случая).
2. С измерением освещенности от светодиодов люксметром надо быть осторожным и убедиться, что он имеет корректную кривую спектральной чувствительности. Ибо врут все (с).
3. Если измерения показывают, что китайским изделием достигнуты заявленные характеристики, значит, вполне вероятно, что прибор проградуирован в китайских люксах:).

Если вам захочется таким же образом оценить световой поток светодиодной лампочки с полусферическим рассеивателем, нужно снять рассеиватель. Под ним скорее всего будут вполне подходящие светодиоды. Но сам рассеиватель вносит потери 15-20 и более процентов светового потока.

Да, и последнее. Описанная методика ни в коей мере не является ни метрологически строгой, ни точной. Она оценочная и не более того. Именно поэтому я не привел здесь анализа погрешностей.

1625326.07.20193 мин.

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.

Принцип работы и основные характеристики

Производство LED светильников можно разделить на три этапа:

• выращивание кристалла при помощи метода металлоорганической эпитаксии;
• создание чипа методом планарной обработки пленок;
• сортировка чипов с помощью бинирования;
• сборка всех частей светодиода.

Принцип функционирования LED лампы

Принцип работы светодиода можно описать как взаимодействие двух противоположно заряженных полупроводников, создающих p-n-переход (контакт электронов). В процессе взаимообмена электронами на его границе создается световое излучение.

Основные характеристики, позволяющие оценить качество светодиодного светильника:

• мощность (количественное измерение потребляемой электроэнергии);
• цветовая температура (цвет света, испускаемого элементом);
• световой поток (количество производимого света).

Поток света в светодиодном светильнике узконаправленный.

Мощность светового потока

Световой поток характеризуется большой колючестью видимого света, который образуется при работе LED источника света. Складывается он из следующих показателей:

• светоотдача;
• мощность;
• используемые химические составы;
• качество линзы.

Основные формулы для вычисления светового потока

Яркость лампы диодного типа уменьшается в течение срока эксплуатации. Также он может теряться по мере прохождения через линзу или накладку, защищающую источник света. При этом потери остаются в пределах 5%.

Световой поток светодиодной лампы тем выше, чем больше мощность светодиода и выше напряжение в электрической сети питания.

Как определить порядок измерения

Световой поток представляет собой световое излучение, распространяющееся во всех направлениях, длину волн которого может воспринимать человеческий глаз. Единица измерения потока света лампы накаливания – люмен (Лм).

Светодиодный источник света излучает электромагнитные волны разной длины. Световой поток измеряется суммарным значением видимых глазом световых волн, а также волн инфракрасного и ультрафиолетового излучения, с учетом усредненной кривой чувствительности человеческого глаза к восприятию световых волн. По его значению определяется поток света светодиодных светильников.

Читайте также более подробно про ультрафиолетовые лампы.

Узнать больше можно просмотрев видео от всемирноизвестного производителя Philips. В видеоролике подробно рассказано о том, что такое люмен и как он поможет выбрать наиболее подходящий осветительный элемент.

Равномерность освещения тем лучше, чем шире угол излучения.

Хозяйкам важно знать, что светодиодные лампы не так эффективны для выращивания цветов, как люминесцентные светильники для растений.

Светоотдача светодиода

Сила света определяет интенсивность освещения источником света во множественных точках пространства. Единицей ее измерения является кандела (кд), зависящая от эталонного источника освещения. Световой поток светодиодной лампы рассчитывается как отношение потока света, равномерно распределенного в его пределах, к телесному углу.

Рекомендуем Вам также более подробно прочитать о том, как рассчитать освещенность помещения.

Самостоятельно определить, какова сила света, можно при помощи прибора люксметр. Для этого необходимо замерить освещенность в нескольких точках исследуемого места.

Подробнее о технических характеристиках светодиодных ламп читайте здесь.

Среди множества светодиодных светильников выделяют следующие виды:

• для домашнего освещения (например длинные светодиодные лампы);
• промышленные (светодиодные лампы используются для производственных площадей);
• офисные (для общественных и торговых мест);
• уличные.

Таблица яркости света

В таблице приведены соотношение мощности и уровня светоотдачи некоторых моделей диодных светильников.

Таблица – Характеристика яркости для LED-светильников

Тип (цоколь, назначение)	Мощность, Вт	Световой поток, Лм
Е27/14 (домашний)	5	430 – 440
Е27/14 (домашний)	10	910
GX70 (домашний)	10	760 – 800
СПДК18 (производственный)	18	1836
СДГ 120 / СДГ 150 / СДГ 180 (производственные)	120 – 180	12000 – 18000
СДП128 (производственные)	128	14900 – 17135
СДО30 (офисные)	30	3000
СДО44 (офисные)	44	4400
СДОТ10 (офисные)	10	340
СДУУ64 (уличные)	64	4500
СДУ 80 (уличные)	80	7850

Сравнение дальности и яркости свечения ламп галогенного и LED типов

Сравнение светодиодных и люминесцентных ламп

ЛЕД лампы превосходят по техническим характеристикам энергосберегающие лампы, в том числе и по яркости. Убедиться в этом поможет следующая таблица.

Таблица – Сравнение яркости люминесцентной и ЛЕД лампочек

Cветодиодная лампа	Люминесцентная лампа
Мощность Вт	Световой поток Лм	Мощность Вт	Световой поток Лм
5	450	15	450
9	700	20	700
12	900	25	1000
15	1200	30	1200
20	1800	50	1800
30	2500	80	2500

По приведенным выше сравнительным данным, можно сделать вывод, что светодиодные светильники более экономичны в потреблении электроэнергии. Световой поток таких источников света наиболее эффективен в применении в различных областях освещения.

Используемые источники:

• https://proinstrumentinfo.ru/lyuksmetr-pribor-dlya-izmereniya-osveshhyonnosti-testo-540-yu-116-tsena/
• https://habr.com/post/400225/
• https://finelighting.ru/svetilniki/lampy/svetodiodnye/svetovoj-potok-kratkaya-xarakteristika-osobennosti.html