Co je světelný tok?
Světelný tok je fotometrická veličina, která vyjadřuje celkové množství světelného výkonu vnímatelného lidským zrakem. Označuje se řeckým písmenem Φ a jeho jednotkou je lumen – lm.
Světelný tok je jedním z nejdůležitějších parametrů při výběru moderního LED svítidla. Říká nám, kolik viditelného světla světelný zdroj nebo celé svítidlo celkově vyzařuje. Neříká však, do jakého směru světlo míří ani kolik luxů nakonec dopadne například na pracovní stůl.
U moderních LED svítidel je množství vydávaného světla vhodné porovnávat především pomocí světelného toku v lumenech, nikoliv pouze podle příkonu ve wattech.
Co je světelný tok?
Světelný tok je základní fotometrická veličina označovaná symbolem:
Φ
jednotka: lumen (lm)
Mezinárodní komise pro osvětlování CIE jej definuje jako veličinu odvozenou od zářivého toku tak, že se jednotlivé vlnové délky elektromagnetického záření vyhodnotí podle jejich účinku na standardního fotometrického pozorovatele.
Zjednodušeně řečeno:
Světelný tok říká, kolik pro lidský zrak účinného světla zdroj celkově vyzařuje.
To je důležitý rozdíl proti prostému měření optického výkonu ve wattech. Lidské oko totiž není stejně citlivé na všechny vlnové délky viditelného záření.
Co je lumen?
Lumen je jednotka světelného toku v soustavě SI.
1 lm = 1 cd · sr
Jedním ze způsobů, jak si lumen představit, je vztah ke kandele a prostorovému úhlu.
Ideální bodový zdroj se svítivostí 1 cd, který vyzařuje rovnoměrně do prostorového úhlu jednoho steradiánu, vysílá do tohoto prostorového úhlu světelný tok:
1 lumen
Lumen tedy není jednotkou elektrického výkonu ani intenzity v jednom směru. Je jednotkou celkového nebo dílčího fotometrického toku.
Proč světelný tok zohledňuje lidské oko?
Dva světelné zdroje mohou vyzařovat stejný fyzikální výkon elektromagnetického záření ve wattech, ale lidskému oku nemusí připadat stejně světelné.
Důvodem je spektrální citlivost našeho zraku.
Při fotopickém neboli denním vidění je lidský zrak nejcitlivější v zelenožluté části spektra a směrem ke kratším i delším vlnovým délkám citlivost klesá.
Křivka fotopické spektrální citlivosti ukazuje, že lidské oko nereaguje na všechny vlnové délky stejně. Právě toto vážení odlišuje fotometrický světelný tok od čistě fyzikálního zářivého toku.
Zdroj: Dicklyon / Innesw, Wikimedia Commons, licence CC0 1.0.
Proto při výpočtu světelného toku jednotlivé části spektra „vážíme“ podle funkce V(λ).
Zjednodušený fotometrický vztah lze zapsat:
Φv = Km ∫ Φe,λ(λ) · V(λ) dλ
zářivý výkon jednotlivých vlnových délek se váží podle citlivosti lidského oka
Pro běžný výběr svítidla tento vzorec samozřejmě počítat nemusíme. Vysvětluje ale, proč lumen není jen jiný název pro watt optického záření.
Co znamená hodnota 683 lm/W?
Ve fotometrii se často objevuje hodnota:
683 lm/W
Jde o definující konstantu fotometrie pro monochromatické záření o frekvenci 540 × 1012 Hz, která odpovídá vlnové délce přibližně 555 nm.
Právě v této oblasti je standardní lidské oko při fotopickém vidění přibližně nejcitlivější.
683 lm/W není maximální účinnost běžné bílé LED.
Tato hodnota se vztahuje k monochromatickému záření v okolí 555 nm. Bílé světlo obsahuje široké spektrum vlnových délek, které lidský zrak vyhodnocuje s různou citlivostí.
Proto nelze například LED svítidlo s měrným výkonem 120 lm/W označit za „18% účinné“ prostým dělením hodnotou 683.
Světelný tok vs. zářivý tok
Světelná technika rozlišuje dvě podobně znějící, ale rozdílné veličiny.
Zářivý tok Φe
Fyzikální výkon elektromagnetického záření. Udává se ve wattech.
Světelný tok Φv
Fotometricky vážený výkon viditelného záření vzhledem k citlivosti lidského zraku. Udává se v lumenech.
Stejný jeden watt optického záření tedy může představovat rozdílný počet lumenů podle jeho vlnové délky.
To je zároveň důvod, proč dva bílé světelné zdroje s rozdílným spektrem nemusí mít při stejném optickém výkonu stejný světelný tok.
Lumeny vs. watty
V minulosti jsme světelný zdroj často vybírali podle příkonu ve wattech. Řekli jsme například „potřebuji šedesátiwattovou žárovku“ a přibližně jsme věděli, kolik světla dostaneme.
U LED už tento způsob porovnání nefunguje.
Watt – W
Říká, kolik elektrického výkonu světelný zdroj nebo svítidlo spotřebovává.
Lumen – lm
Říká, jaký světelný tok světelný zdroj nebo svítidlo vytváří.
Dvě LED svítidla mohou mít stejný příkon například 30 W, ale rozdílný světelný tok například 2500 lm a 3500 lm.
Rozdíl může vzniknout kvůli:
- účinnosti použitých LED čipů,
- pracovnímu proudu LED,
- teplotě modulu,
- účinnosti LED driveru,
- konstrukci optiky,
- difuzoru,
- a dalším ztrátám uvnitř svítidla.
W → kolik elektrického výkonu spotřebujeme
lm → kolik světelného toku získáme
Světelný tok LED zdroje vs. celého svítidla
U LED svítidel je velmi důležité zjistit, ke které části výrobku uvedená hodnota lumenů patří.
Výrobce může pracovat například s:
Světelným tokem LED modulu
Množství světla vytvářeného samotnými LED před průchodem optickými částmi celého svítidla.
Světelným tokem celého svítidla
Množství světla skutečně vycházejícího z kompletního sestaveného svítidla po zohlednění jeho optické konstrukce.
LED modul
↓
difuzor / čočka / reflektor / těleso
↓
výsledný světelný tok svítidla
Při porovnávání dvou hotových svítidel nás proto zajímá především světelný tok skutečně vycházející z celého svítidla, nikoliv pouze teoretický nebo katalogový součet světelných toků samotných LED čipů.
Kam se část světelného toku ztratí?
Světlo vytvořené LED modulem musí u většiny svítidel projít dalšími optickými částmi.
Část světla se může:
- odrazit zpět do tělesa,
- absorbovat v difuzoru,
- zachytit na mechanických částech,
- absorbovat v reflektoru nebo čočce,
- nebo změnit směr tak, že nevychází požadovanou částí svítidla.
Difuzor proto vždy představuje určitý kompromis.
větší rozptyl a homogenita
↕
optické ztráty
Příliš čirý difuzor může propustit mnoho světla, ale jednotlivé LED body budou viditelné. Silně rozptylující materiál je může dokonale skrýt, ale zpravidla způsobí větší optickou ztrátu.
Proto je důležitá konstrukce celého svítidla, nikoliv pouze účinnost samotných LED.
Světelný tok a měrný výkon lm/W
Pokud chceme porovnat, kolik světla svítidlo vytváří vzhledem ke spotřebovanému elektrickému výkonu, použijeme měrný výkon.
η = Φ / P
lm/W = lumeny / watty
Například svítidlo se:
- světelným tokem 3000 lm,
- příkonem 30 W
má měrný výkon:
3000 / 30 = 100 lm/W
Dvě svítidla tedy můžeme porovnávat nejen podle celkového množství světla, ale také podle toho, kolik lumenů získáme z jednoho wattu elektrického příkonu.
Při přesném porovnávání je ale důležité používat stejnou hranici systému – ideálně celkový světelný tok hotového svítidla vůči celkovému příkonu celého svítidla.
Lumen, kandela, lux a jas nejsou totéž
Tyto veličiny se často zaměňují, ale každá odpovídá na jinou otázku.
Světelný tok Φ – lumen (lm)
Kolik světla zdroj nebo svítidlo celkově vyzařuje?
Svítivost I – kandela (cd)
Jak intenzivně svítí určitým směrem?
Osvětlenost E – lux (lx)
Kolik světelného toku dopadne na konkrétní plochu?
Luminance L – cd/m²
Jaký jas má plocha v určitém směru pozorování?
lumen → zdroj
kandela → směr
lux → dopadající světlo na plochu
cd/m² → jas plochy směrem k oku
Proč samotné lumeny neříkají, kam světlo dopadne?
Představme si dvě svítidla, každé s celkovým světelným tokem:
3000 lm
První světlo může rozdělovat lumeny velmi široce do celé místnosti. Druhé je může soustředit převážně do úzké oblasti přímo pod svítidlem.
Celkový světelný tok je stejný, ale osvětlenost v luxech na určité ploše bude rozdílná.
Polární diagram zobrazuje svítivost v jednotlivých směrech. Doplňuje tak údaj o celkovém světelném toku informací, kam svítidlo své lumeny skutečně posílá.
Proto je pro návrh osvětlení potřeba znát současně:
- celkový světelný tok,
- prostorovou distribuci svítivosti,
- výšku svítidla,
- rozměry prostoru,
- a požadovanou osvětlenost.
Kolik lumenů potřebuji?
Na tuto otázku neexistuje jedno číslo bez znalosti prostoru.
Potřebný světelný tok závisí například na:
- velikosti místnosti,
- jejím účelu,
- požadované osvětlenosti v luxech,
- výšce stropu,
- rozložení světla konkrétního svítidla,
- barvách a odrazivosti stěn,
- nábytku,
- a rozmístění jednotlivých svítidel.
Pro velmi hrubý odhad lze vycházet ze vztahu:
E = Φ / A
pokud známý světelný tok skutečně rovnoměrně dopadá na hodnocenou plochu
Například 3000 lm rovnoměrně dopadajících na 10 m² by teoreticky vytvořilo průměrnou osvětlenost 300 lx.
V reálném interiéru ale není celý světelný tok svítidla rovnoměrně soustředěný pouze na podlahu nebo pracovní rovinu. Proto jednoduché:
lumeny svítidla / m² místnosti
≠ automaticky skutečné luxy v místnosti
Pro přesnější návrh je vhodnější použít světelně-technický výpočet.
Co se děje se světelným tokem při stmívání?
Při stmívání snižujeme světelný výkon svítidla, a tím také jeho světelný tok.
Pokud tedy svítidlo při plném výkonu vydává například 3000 lm, při nižší úrovni stmívání bude jeho tok nižší.
Není ale vždy správné předpokládat dokonale lineární vztah:
50 % nastavené úrovně
≠
za všech okolností přesně 50 % naměřeného světelného toku
Průběh závisí na LED driveru, způsobu regulace a charakteristice LED modulu.
Mění se světelný tok během životnosti LED?
Ano. Světelný tok LED není během celé životnosti dokonale konstantní.
LED během dlouhodobého provozu postupně degraduje a její světelný tok obvykle pomalu klesá.
Právě proto se životnost LED vyjadřuje například zápisem:
L70B50
Hodnota L70 označuje hranici 70 % počátečního světelného toku. Význam celé této specifikace vysvětlujeme podrobně v hesle střední doba životnosti LED.
Na pokles světelného toku mají vliv například:
- teplota LED,
- pracovní proud,
- kvalita LED čipu,
- luminofor,
- optické materiály,
- a provozní podmínky celého svítidla.
Jak se světelný tok měří?
Světelný tok nelze spolehlivě zjistit jednoduchým luxmetrem namířeným na svítidlo. Luxmetr měří osvětlenost v konkrétním místě, nikoliv automaticky celkový tok vyzářený do všech směrů.
V laboratorní fotometrii se používají především dva principy.
Integrační koule
Světelný zdroj nebo svítidlo je umístěné v prostoru s velmi difuzně odrazivým vnitřním povrchem. Světlo se mnohonásobně rozptýlí a měřicí systém z něj může stanovit celkový světelný tok a další spektrální parametry.
Goniofotometr
Goniofotometr měří svítivost svítidla ve velkém množství prostorových směrů.
svítivosti ve všech měřených směrech
↓ integrace přes prostorový úhel ↓
celkový světelný tok svítidla
Výhodou goniofotometrického měření je, že současně získáme také kompletní prostorovou distribuci světla potřebnou pro:
- polární diagram,
- EULUMDAT,
- IES data,
- a profesionální výpočet v Reluxu nebo jiném světelně-technickém softwaru.
Jak uvádíme světelný tok v lampax
U svítidel lampax uvádíme v technických parametrech světelný tok kompletního svítidla, tedy hodnotu po zohlednění jeho skutečné konstrukce a optických částí.
Neuvádíme pouze katalogový součet lumenů samotných LED čipů před jejich zabudováním do svítidla.
Například současné BLOKK 60×60 dosahuje při nastavení 45 W světelného toku:
5220 lm
při příkonu 45 W
To odpovídá měrnému výkonu celého svítidla přibližně:
116 lm/W
Například přisazená LINNA 116 má v aktuálním provedení 30 W světelný tok 3520 lm, tedy přibližně 117 lm/W.
Samotné lumeny však stále nestačí k rozhodnutí, zda je konkrétní svítidlo pro místnost správné. Proto necháváme svítidla fotometricky měřit a jejich kompletní data používáme při výpočtu osvětlení.
Teprve kombinace skutečného světelného toku, prostorové distribuce světla a geometrie místnosti umožní určit, kolik luxů vznikne na konkrétních plochách.
Praktičtější pohled na výběr výkonu LED světla najdete také v článku Světelný tok jako klíč k pochopení výkonu LED svítidel.
Často se ptáte
Co je světelný tok jednoduše?
Světelný tok vyjadřuje množství světla vnímatelného lidským zrakem, které světelný zdroj nebo svítidlo vyzařuje. Udává se v lumenech.
V čem se světelný tok udává?
Jednotkou světelného toku je lumen se značkou lm.
Co znamená 1000 lumenů?
Znamená to, že světelný zdroj nebo svítidlo má světelný tok 1000 lm. Samotný údaj ale ještě neříká, do jakých směrů je toto světlo vyzařováno.
Čím více lumenů, tím více světla?
Ano, pokud porovnáváme stejným způsobem definovaný světelný tok. Vyšší počet lumenů znamená vyšší celkové množství fotometricky hodnoceného světla.
Znamená více lumenů také více luxů?
Ne automaticky. Výsledné luxy závisí také na distribuci světla, vzdálenosti, úhlu dopadu, velikosti plochy a geometrii prostoru.
Jaký je rozdíl mezi lumenem a luxem?
Lumen je jednotka světelného toku. Lux je jednotka osvětlenosti a říká, kolik světelného toku dopadá na jednotku plochy.
Jaký je rozdíl mezi lumenem a kandelou?
Lumen vyjadřuje světelný tok. Kandela vyjadřuje svítivost v určitém směru.
Je watt totéž co lumen?
Ne. Watt u svítidla popisuje elektrický příkon, zatímco lumen popisuje světelný tok. Dvě svítidla se stejným příkonem mohou vytvářet rozdílný počet lumenů.
Co znamená lm/W?
Lumen na watt vyjadřuje měrný výkon světelného zdroje nebo svítidla – tedy kolik lumenů vytváří na jeden watt spotřebovaného elektrického výkonu.
Je světelný tok LED modulu stejný jako tok celého svítidla?
Obvykle ne. Difuzor, optika a konstrukce svítidla způsobují určité optické ztráty. Pro porovnání hotových svítidel je proto vhodnější údaj změřený na kompletním výrobku.
Jak se světelný tok měří?
V laboratoři lze použít například integrační kouli nebo goniofotometrické měření. Goniofotometr zároveň poskytuje informace o prostorové distribuci světla.
Jaký světelný tok uvádí lampax?
V technických parametrech našich svítidel uvádíme světelný tok kompletního svítidla po zohlednění jeho LED modulu, difuzoru a celé optické konstrukce.