מחקר על שיטות מדידת ביצועי אור ותרחישי יישום שלמקורות אור LED

תַקצִיר

כמקור אור קר מוליכים למחצה-מצב מוצק, LED (דיודה פולטת אור-) הפכה לזרם המרכזי בתחום התאורה בשל היתרונות של חיסכון באנרגיה, הגנה על הסביבה וחיי שירות ארוכים. ביצועי האור של מקורות אור LED, כולל יעילות האור, שטף האור, זווית האלומה, טמפרטורת הצבע ואינדקס עיבוד הצבע, משפיעים ישירות על חווית המשתמש. מחקר זה מודד את הפרמטרים העיקריים של ביצועי האור של שונים הנפוצים בשימושאור LEDמקורות ומשווה את תוצאות המדידה. בהתבסס על ניתוח תרחישי יישום שונים, מומלצים מקורות אור LED מתאימים כדי לספק הפניות ליישומים מעשיים. המחקר מראה שלמקורות אור נקודתיים, פנסים, שטיפות קיר ופנסי רחוב לכל אחד מהם מאפייני ביצועים מובהקים, הקובעים את התאמתם לסביבות תאורה שונות כגון תאורה פנימית, תאורה תעשייתית, תאורת מקום, תאורת נוף ותאורת כביש. עם התקדמות מתמשכת של הטכנולוגיה, תאורת LED תמלא תפקיד משמעותי יותר בבתים חכמים ובתאורה בריאה.

1. הקדמה

התפתחות טכנולוגיית התאורה עברה אבולוציה עמוקה, שעברה מנורות ליבון, מנורות פלורסנט ומנורות מתכת הליד לפיתוח נמרץ של טכנולוגיית LED. מקורות אור LED הופיעו כגולת הכותרת בתעשיית התאורה, הודות ליעילות האנרגטית יוצאת הדופן, האמינות, תוחלת החיים הארוכה והידידותיות לסביבה. הם מיושמים באופן נרחב במחוונים, נורות איתות, תצוגות, תאורה פנימית, תאורת כביש, תאורת מקום ותאורת נוף. שלא כמו מקורות אור מסורתיים, מקורות אור LED משתמשים בשבבי מוליכים למחצה מוצקים כחומרים זוהרים. כאשר נשאים מתחברים מחדש במוליך למחצה, עודף אנרגיה משתחררת בצורה של פוטונים, הפולטים ישירות אור אדום, צהוב, כחול וירוק. על ידי יישום עיקרון שלושת-הצבעים העיקריים והוספת זרחנים, מקורות אור LED יכולים להפיק אור מכל צבע.

הביצועים שלאור LEDמקורות חיוניים להשפעות היישום שלהם. פרמטרים מרכזיים של ביצועי אור כוללים שטף אור, יעילות אור, פיזור עוצמת האור, אינדקס עיבוד צבע וטמפרטורת צבע. מדידה מדויקת של פרמטרים אלו היא הבסיס להערכת איכות LED ולבחירת מוצרים מתאימים לתרחישים ספציפיים. נכון לעכשיו, שיטות המדידה העיקריות לביצועי אור LED הן שיטת הכדור המשלב ושיטת הגוניופוטומטר. שיטת הכדור המשלב מוגבל בהחלט למקורות אור נקודתיים LED קטנים- בשל דרישות לגבי סוג וגודל מקור האור הנמדד, בעוד ששיטת הגוניופוטומטר נמצאת בשימוש נרחב יותר עבור סוגים וגדלים אחרים של מקורות אור LED. מחקרים קודמים חקרו את שיטות המדידה, את היתרונות של מדידת שדה קרוב בתכנון אופטי, ואת החשיבות של עקומות חלוקת עוצמת האור. עם זאת, קיים חוסר בניתוח מעמיק של-הבדלי הביצועים בין מקורות אור LED שונים והשלכות היישום המעשיות שלהם. מחקר זה נועד למלא את הפער הזה על ידי מדידה והשוואה שיטתית של סוגי LED שונים והתאמתם לתרחישי יישומים מתאימים.

2. שיטות מדידת ביצועי אור שלמקורות אור LED

2.1 שיטת מדידת שטף אור

שטף האור מתייחס לכמות האור הנפלט ממקור אור ליחידת זמן, המתבטאת בדרך כלל בלומנס (lm). זהו אינדיקטור של תפוקת האור הכוללת של מקור אור, שווה ערך להספק אופטי. שטף אור גבוה יותר אומר שמקור האור פולט יותר אור, משפיע ישירות על תפיסת הבהירות של העין האנושית ומשמש כפרמטר מפתח להערכת הבהירות הכוללת. ביישומים מעשיים, שטף האור הוא גורם קריטי בבחירת LED: מקורות -זוהר- גבוהים מתאימים לספק תאורה חזקה, בעוד שמקורות -זוהר- נמוכים הם אידיאליים לאזורי תאורה מקומיים או נמוכים-.

על פי שיטת המדידה המפורטת ב-GB/T 24824-2009 "שיטות בדיקה למודולי LED לתאורה כללית", מדידת שטף האור מתבצעת בחדר חושך אופטי. הנבדקאור LEDמקור או גוף תאורה מותקן במרכז הסיבוב של גוניופוטומטר ומופעל לפעול בתנאים שצוינו. זרוע מסתובבת מניעה את מקור האור או גוף התאורה להסתובב סביב הציר האנכי שלו, ויוצרת משטח כדורי וירטואלי. הגלאי הפוטומטרי של הגוניופוטומטר מודד את עוצמת ההארה בנקודות שונות בכדור וירטואלי זה, ומבטיח דגימה מספקת במישורים רבים הפולטים-אור עם מרווחי זווית קטנים. המרחק בין הגלאי הפוטומטרי למרכז הזוהר של האובייקט הנבדק משמש כרדיוס של הכדור הווירטואלי. בדרך כלל, המרווח הזוויתי בין מישורים הוא 5 מעלות, והמרווח בתוך כל מישור הוא מעלה אחת. עבור מקורות אור או גופי תאורה עם גדלים גדולים או זוויות אלומה צרות, מאומצים מרווחים קטנים יותר כדי להבטיח את שלמות דגימת חלוקת עוצמת ההארה.

מכיוון שעוצמת ההארה הנמדדת פרופורציונלית לעוצמת האור של המקור בכיוון זה, הגוניופוטומטר משלב אוטומטית את עוצמת ההארה מעל כל אלמנט משטח זעיר בכדור כדי לחשב את שטף האור. שטף האור הכולל מחושב בשיטת האינטגרציה המספרית כפי שמוצג בנוסחה (1):

Φtot​=∫(SM​)​EdS=∫04π​r2E(ε,η)dΩ=∫02π​∫0π​r2E(ε,η)sinεdεdη

כאשר Φtot הוא שטף האור הכולל (lm), r הוא הרדיוס של הכדור הווירטואלי (m); SM​ הוא שטח הפנים של הכדור הוירטואלי (מ"ר); ו-(ε,η) מייצג את הזווית המרחבית.

2.2 מדידת חלוקת עוצמת האור וזווית האלומה

פיזור עוצמת האור מתאר את עוצמת האור הנפלט ממקור בכיוונים שונים. על ידי זיהוי נתוני התפלגות עוצמת האור בתנאי התקנה ספציפיים, ניתן להעריך את אחידות התאורה ושטח הכיסוי האפקטיבי, אשר יש לו משמעות רבה עבור תרחישי יישום שונים כגון תאורה לבית, תאורה מסחרית ותאורה תעשייתית. זווית האלומה מתייחסת לזווית ההתבדלות של האור הנפלט מהמקור, המשפיעה ישירות על הריכוז והפיזור של אפקט התאורה, ובכך קובעת את ההזדמנויות הרלוונטיות שלו. שני פרמטרים אלו חיוניים ליישום השוק שלמקורות אור LED.

במהלך המדידה, המרחק בין הגלאי לאובייקט הנבדק חייב להיות לפחות פי 5 משטח הפתיחה הזוהר המרבי של האובייקט, בהתחשב בשטח האור, עוצמת האור וזווית האלומה של מקור האור או גוף התאורה של LED. האובייקט הנבדק מונח על מסגרת מסתובבת של הגוניופוטומטר שיכולה להסתובב סביב שני צירים. במישור הזוהר האופייני של ה-LED, מד זוהר נקודתי או רדיומטר ספקטרלי ממוקם בשדה הרחוק כדי לאסוף נתוני עוצמת האור בשדה-מרוחק. מרווח המדידה אינו גדול מ-1/20 מחצי זווית -שיא האלומה. עבור מדידות עם זווית קרן פחות מ-10 מעלות או דרישות מחמירות על זוויות כיוון, משתמשים בלייזרים או בשיטות יעילות יותר להתקנה ויישור המיקום ההתחלתי של האובייקט הנבדק. כאשר מקור האור מסתובב סביב שני צירים, נתונים מכל החלל שמסביב נאספים כדי ליצור נתוני עקומת התפלגות עוצמת האור, שעל בסיסם מחושבת חצי הזווית -שיא האלומה.

שיטת המדידה הכפולה של -המראה כפולה שצוינה ב-GB/T 24824-2009 ממקמת את האובייקט הנבדק במרכז הסיבוב של הגוניופוטומטר הכפול, המסתובב רק סביב הציר האנכי שלו. רפלקטור מסתובב מסתובב סביב מקור אור ה-LED או גוף התאורה שנבדק, ומשקף את אלומת האור הנמדדת בכיוון מסוים לרפלקטור שני במרחק, אשר לאחר מכן מחזיר אותה לגלאי האופטי. שיטה זו שומרת על ה-LED שנבדק במצב הפעלה נייח, ומציעה יתרונות של יציבות מדידה גבוהה ותפוסת שטח קטנה במערכת.

3. השוואה ביןאוֹרתוצאות מדידת ביצועים של מקורות אור LED שונים

באמצעות שיטות המדידה הסטנדרטיות שהוזכרו לעיל, נמדדו הפרמטרים העיקריים של ביצועי האור (יעילות האור, טמפרטורת הצבע, אינדקס עיבוד הצבע וזווית האלומה) של סוגים שונים של מקורות אור LED. התוצאות הספציפיות מוצגות בטבלה 1.

טבלה 1: ערכי מדידת ביצועי אור של מקורות אור LED שונים

כַּיוֹם,אור LEDמקורות מכוונים את חלוקת עוצמת האור שלהם בעיקר באמצעות הצורה וביצועי השידור של הכיסוי השקוף העוטף את הדיודות הפולטות-אור. לכל סוג של מקור אור LED יש דפוס פיזור עוצמת אור ייחודי. מקורות אור נקודתיים, בגודלם הקטן, מציגים טווח רחב של חצי-שיא זווית אלומה ואינדקס עיבוד צבע גבוה, המעידים על יכולתם לספק תאורה אחידה וטבעית. פנסי הזרקה כוללים יעילות אור גבוהה וזווית חצי-שיא אלומה צרה, המפגינים יכולות מיקוד חזקות וביצועי תאורה מצוינים, מה שהופך אותם למתאימים לתאורה למרחקים ארוכים- ולתאורה מרוכזת. למכונת שטיפה קיר יש פרמטרים מאוזנים של ביצועים, עם שכבות מרחביות חזקות ותלת ממדיות של אור, שהיא אידיאלית לתאורת קווי מתאר. פנסי רחוב בולטים עם יעילות אור גבוהה וטווח זווית אלומה רחב, המאפשר להם לספק תאורה בהירה ואחידה על פני שטחים גדולים.

4. דרישות לביצועי אור בתרחישי יישומים שונים

לתאורת לד יש מגוון רחב של תרחישי יישום, לרבות תאורה פנימית, תאורה תעשייתית, תאורת מקום, תאורת נוף ותאורת דרך בחיי היום יום ובעבודה. לתרחישים שונים של יישומים יש דרישות ברורות לביצועי אור המבוססים על יעדי עיצוב וצרכי ​​המשתמש, כמפורט בטבלה 2.

טבלה 2 דרישות לביצועי אור בתרחישי יישומים שונים

על ידי ניתוח דרישות ביצועי האור של תרחישי יישום שונים ושילובם עם המאפיינים של מקורות אור LED שונים, מוצעות ההמלצות התואמות הבאות:

תאורה פנימית: מקורות אור נקודתיים LED מתאימים למיקומים פנימיים שונים הדורשים מיקום תאורה מדויק. אינדקס עיבוד הצבע הגבוה שלהם (Ra=86.0) מבטיח שאובייקטים נראים נאמנים לצבעיהם המקוריים, בעוד שזווית האלומה הרחבה (בסביבות 119 מעלות) מספקת כיסוי מקיף, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור בתים, משרדים, חללים מסחריים ומפעלים.

תאורת מקום: זרקורים LED ומקורות אור נקודתיים מומלצים לאצטדיונים, במות, אולמות תצוגה ומוזיאונים. פנסי זרקורים מציעים יעילות אור גבוהה (135.1 lm/W) ותאורה כיוונית חזקה, שיכולה לעמוד בדרישות הבהירות הגבוהות- של אולמות גדולים. מקורות אור נקודתיים, עם עיבוד הצבעים המצוין שלהם, מתאימים לאולמות תצוגה ומוזיאונים שבהם דיוק הצבע הוא מכריע.

תאורת נוף: מכונות שטיפה לקיר LED הן הבחירה המועדפת למבנה תאורה, קישוט ויצירת אווירה פנימית. צורת הרצועה הארוכה שלהם, יעילות האור המאוזנת (96.1 lm/W) ואפשרויות הצבע העשירות מאפשרות להם לשרטט קווי מתאר אדריכליים ונוף ביעילות, מה שהופך אותם למתאימים לתאורת קירות חיצוניים של מבנים בודדים ומתחמי מבנים היסטוריים, כמו גם תאורת נוף ירוקה ותאורת שלטי חוצות.

תאורת כביש: פנסי רחוב לדתוכננו במיוחד עבור כבישים עורקים עירוניים, כבישים משניים, כבישים כפריים, פארקי תעשייה, כיכרות ואזורי נוף. עם יעילות האור הגבוהה ביותר (149.7 lm/W) וטווח זווית אלומה רחב (149.4 מעלות במישור C0/180 מעלות), הם מספקים תאורה אחידה ובהירה, מבטיחים בטיחות בתנועה לכלי רכב והולכי רגל ועונה על הצרכים החזותיים של פעילות האנשים.

תאורה תעשייתית: ניתן להשתמש בשילוב של מקורות אור נקודתיים LED ותאורת הזרקה להשגת תאורה מאוזנת בסדנאות ובמחסנים. מקורות אור נקודתיים מבטיחים תאורה אחידה בשטחים גדולים, בעוד שפנסים יכולים להתמקד במשטחי עבודה הדורשים בהירות גבוהה יותר.

5. מסקנה

בהשוואה לטכנולוגיות תאורה מסורתיות,אור LEDמקורות מציעים יעילות אנרגטית גבוהה יותר, חיי שירות ארוכים יותר וביצועים סביבתיים טובים יותר. פונקציות התאמת הטמפרטורה והצבע הגמישות שלהם הופכות אותם לפתרון האופטימלי עבור יישומי תאורת בית חכם. מחקר זה מודד ומשווה באופן שיטתי את פרמטרי ביצועי האור של סוגים שונים של מקורות אור LED, כולל מקורות אור נקודתיים, זרקורים, שטיפות קיר ופנסי רחוב. התוצאות מראות שלכל סוג של מקור אור LED יש מאפיינים ייחודיים מבחינת יעילות האור, טמפרטורת הצבע, אינדקס עיבוד הצבע וזווית האלומה, הקובעים את התאמתם לתרחישי יישום ספציפיים.

מקורות נקודת אור LED, עם אינדקס עיבוד הצבע הגבוה שלהם וזווית אלומה רחבה, מתאימים לתאורה פנימית בבתים, משרדים, חללים מסחריים ומפעלים.פנסי LED, עם יעילות זוהרת גבוהה ותאורה כיוונית חזקה, הם אידיאליים לתאורת מקומות כמו אצטדיונים ואולמות תצוגה. מכונות שטיפה לקיר לד מצטיינות בתאורת נוף ובקישוט אדריכלי בזכות הביצועים המאוזנים ויכולות העיצוב שלהן. פנסי רחוב LED מספקים תאורה אמינה ויעילה לסוגי כבישים שונים, ומבטיחות בטיחות בתנועה.

עם התקדמות מתמשכת של הטכנולוגיה והפחתת העלויות, טכנולוגיית תאורת LED תהפוך לפופולרית יותר. בעתיד, מקורות אור LED ישחקו תפקיד חשוב יותר בבתים חכמים, תאורה בריאה ובתחומים אחרים, ויביאו סביבות תאורה באיכות גבוהה- ליותר אנשים. מחקר נוסף יכול להתמקד באופטימיזציה של שיטות מדידה כדי לשפר את הדיוק ולחקור את היישום של מקורות אור LED בתחומים מתפתחים כמו תאורה בריאה וערים חכמות.

הפניות

[1] Yu, AQ, Ju, JQ, & Chen, DH (2018). דיון על היתרונות של LED בתאורה פונקציונלית. China Lighting Electrical Appliances, (10), 10-17.[2] Huang, Y. (2017). כמה בעיות ביישום תאורת LED. אור ותאורה, (01), 56-58.[3] Shen, YQ, Zhu, TF, & Jia, Z. (2016). ניתוח ומחקר על יישום שיטת Goniophotometer בבדיקת ביצועים אופטיים של LED Luminaire. מקורות אור ותאורה, (04), 8-10.[4] Fan, HZ, Cao, M., & Li, SZ (2012). יישום ומחקר של מדידה קרובה לשדה של מקורות אור בעיצוב אופטי LED. Acta Optica Sinica, (12), 1-5.[5] איי, ג'יי (2015). גופי תאורה לד ועקומות חלוקת אור. Technology & Enterprise, (20), 237-238.[6] Cai, Y., Wang, ZH, & Zhu, TF (2016). טכנולוגיה חדשה למדידה מהירה של צבעוניות מרחבית של LED והפצה פוטומטרית. מכשירים אופטיים, (06), 481-487.[7] GB/T 24824-2009. שיטות בדיקה למודולי LED לתאורה כללית (S).[8] Yang, WX (2024). יישום של מערכות חכמות לבית בעיצוב הבית המודרני. תקינה ואיכות התעשייה הקלה, (05), 127-130.

https://www.benweilighting.com/agricultural-lighting/poultry-lighting/flicker-free-poultry-light-18w.html

Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd.

אֶלֶקטרוֹנִי:bwzm15@benweilighting.com

אינטרנט:www.benweilight.com

ווטסאפ: 19113306783