Fotometrik büyüklükler, ölçümler ve lambalar Prof. Dr. Önder Güler
IŞIK Göze etki eden özel bir enerji şekli olup dalga veya foton şeklinde yayıldığı kabul edilir. Eletromagnetik dalgalar dalga uzunluklarına göre sıralanacak olurlarsa elektromagnetik spektrum (tayf) elde edilir. Bu tayfın 380nm ile 780nm dalga uzunluklu kısmı ışık olarak adlandırılan bölgedir. Fotometri insan gözü tarafından algılanan optik radyasyonların (ışımanın) ölçümü ile ilgilenir.
Elektromanyetik spektrum (tayf) 1x10-5 1x10-3 1x10-1 1x10 1 1x10 3 1x10 5 1x10 7 1x10 9 1x10 11 nm Kozmik ışınlar Gamma ışınları Morötesi ışınlar Kızılötesi ışınlar Radyo dalgaları x ışınları Endüksiyonla ısıtma Işık Morötesi ışınlar Mor 410 Mavi 470 Yeşil 520 Sarı 590 Turuncu Kırmızı Kızıl ötesi ışınlar 250 300 350 380 400 450 500 550 600 650 700 750 780 800 Işığın spektrumu (tayfı)
Gözün Spektral Duyarlığı veya Radyasyonların Görülebilme Faktörü Göz bütün radyasyonlara aynı derecede duyarlı değildir. Başka bir deyişle göz, eşit enerji akılı ancak farklı dalga boylu radyasyonları (renkleri) farklı katsayılarla değerlendirir. Bu özelliğe gözün spektral duyarlığı denir. M' V l V'(l) V(l) Uluslararası Aydınlatma Komisyonuna göre aydınlık ve karanlık görmede standart göze ait spektral duyarlık eğrileri. M K K' l
Işık Üretimi ile İlgili Bazı Kavramlar Spektral Enerji Akısı Yoğunluğu Işınlama yapan bir cismin birim yüzeyinden birim zamanda çıkan radyasyon enerjisinin birim dalga uzunluğu aralığına düşen kısmına spektral enerji akısı yoğunluğu denir ve p l ile gösterilir; birimi (W/m 2 m) dir; uygulamada bunun yerine (W/mm 2 m) veya (W/cm 2 m) birimleri de kullanılır. Enerji Akısı Yoğunluğu Işınlama yapan bir cismin birim yüzeyinden birim zamanda çıkan radyasyon enerjisine enerji akısı yoğunluğu denir ve f ile gösterilir. Birimi W/m 2 veya W/cm 2 dir Enerji Akısı Enerji akısı yoğunluğu S yüzeyi üzerinde ds'ye göre integre edilirse enerji akısı elde edilir. Enerji akısı birimi W'tır.
Işık akısı (lm) Işık kaynağından çıkan ve normal gözün gündüz görmesine ait spektral duyarlık eğrisine göre değerlendirilen enerji akısına denir. = K o F V l K o = enerji akısının fotometrik eşdeğeri F = enerji akısı (W) V l = gözün spektral duyarlığı veya radyosyanların görülebilme faktörü Etkinlik faktörü (e) Birim: lm/w Bir ışık kaynağından çıkan toplam ışık akısının kaynağın gücüne oranıdır. e = / P
Bazı ışık kaynaklarının ışık akıları Lamba tipi Güç (W) Işık akısı (lm) Bisiklet farı 3 30 Akkor telli lamba 75 900 Kompakt fluoresan lamba 20 1200 Tüp flüoresan lamba 36 3350 Yüksek basınçlı civa buharlı lamba 125 6500 Yüksek basınçlı sodyum buharlı lamba 150 17000 Alçak basınçlı sodyum buharlı lamba 180 32000 Metal halojen lamba 2000 240000
Işık akısı ve renksel özellik ölçümleri; Işık akısı ölçümleri Ulbricht küresi ile yapılır. Laboratuar ortamında gerçekleştirilen ölçümlerdir. spektroradyometre
Işık akısı genel olarak düzgün yayılmaz; uzayın farklı doğrultularında yoğunluğu farklıdır. Bu durumu daha iyi anlayabilmek için uzay açı kavramına ihtiyaç vardır. Genel olarak bir ışık kaynağının toplam ışık akısı, uzayın muhtelif kısımlarına yayılan kısmi ışık akılarının toplamı olarak düşünülebilir. İçinden kısmi bir ışık akısı geçen koni veya piramit şeklindeki uzay parçasına uzay açı denir. Kısmi ışık akıları ve kısmi uzay açıları
Uzay açı R a Uzay açının tanımı S Bu küre parçasının alanının (S), R yarıçapının karesine bölümüne uzay açı denir S 2 R
Işık şiddeti: I a (candela=cd) Noktasal ışık kaynakları için tanımlanır ve doğrultuya bağlı bir büyüklüktür, sembolü I'dır. Noktasal bir ışık kaynağının herhangi bir a doğrultusundaki ortalama ışık şiddeti, I ort, bu doğrultudaki birim uzay açıdan çıkan ışık akısıdır N a R I a D a I a D D d lim a 0 D d a a D Noktasal bir ışık kaynağının a doğrultusundaki I a ışık şiddetinin tanımlanması.
Işık şiddeti değerine bazı örnekler Işık şiddeti (cd) Reflektörsüz bisiklet farı (herhangi bir doğrultuda) 2.5 Reflektörlü bisiklet farı (ışık hüzmesinin ortasında) 250 Reflektörlü akkor telli lamba (ışık hüzmesinin ortasında) 10 000 El feneri (ışık hüzmesinin ortasında) 2 000 000
Fotometride SI (Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi) sistemindeki ana birim kandela dır. Diğer bütün fotometrik birimler kandela dan türetilmiştir. Bobin Porselen kap Toryumoksit tozu Toryumoksit kap Platin Toryumoksit boru Işık şiddeti birimi candela nın tanımına yarayan etalon siyah cisim. Kandela için 1979 dan önce şöyle bir tanım kabul edilmiştir; ışık şiddeti birimi kandela olup, platinin katılaşma sıcaklığında (2042 o K) bulunan siyah cismin 1 cm 2 lik delik yüzeyine dik doğrultuda doğurduğu ışık şiddetinin 60'da birine eşittir. 1979 dan sonra ise referans kandela için şöyle bir tanım yapılmıştır; 540x10 12 Hz (555 nm) lik tek renkli radyasyon yayan bir ışık kaynağının belli bir doğrultudaki ışık şiddeti 1 sr lık uzay açı içinde 1/683 W dır.
Noktasallık tanımı Bir ışık kaynağı ancak yeter derecede büyük bir uzaklıktan, yani sınır uzaklığı veya kritik uzaklık adı verilen bir uzaklıktan veya bundan daha büyük bir uzaklıktan bakıldığı zaman noktasal kabul edilebilir. Sınır uzaklığı, % 1'den küçük hata ile ışık kaynağının en büyük boyutunun yaklaşık 10 katı ve % 1 ila % 2 arasındaki bir hata ile de 5 katı mertebesindedir. Doğru veya band şeklindeki ışık kaynaklarında, sınır uzaklığı, duruma göre daha küçük alınabilir. Projektörlerde ise, bu kural asla geçerli değildir. Orada sınır uzaklığı çok daha büyük olup, projektör delik çapının en az 100 katı mertebesindedir. Küresel ışık kaynakları ise, her uzaklıktan noktasal kabul edilebilecek özel bir duruma sahiptirler. Işık şiddeti kavramı noktasallık kavramına sıkı sıkıya bağlıdır. Çünkü ancak bu sayede ışık şiddetinin tanımı mümkündür. Noktasal olarak kabul edilemeyen bir ışık kaynağı için, yani sınır uzaklığından daha küçük uzaklıklar için ışık akısı tanımlanabilir; fakat ışık şiddeti tanımlanamaz
ışık dağılım eğrisi (polar fotometrik eğri) C düzlemleri Armatürden geçen düşey ekseni dönme ekseni olarak alan C düzlemlerindeki ışık dağılım eğrileri bu düzlemler içinde düşeyle açıları yapan ışık şiddeti vektörleriyle verilir.
Armatüre ait ışık şiddeti değerleri tablosu Armatüre ait ışık şiddeti değerleri tablosu I(C, ) cd/1000 lm 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165... 355 0.0 195 196 195 196 196 197 196 196 196 196 196 196 197 197 197 197 197 196 196 196 197 197 197 197 197 196 196 196 196 196 196 197 196 196 195 2.5 199 201 201 203 203 205 204 204 204 205 205 206 206 207 207 207 208 208 208 208 208 207 207 207 206 206 205 205 204 204 204 205 203 203 199 5.0 203 206 207 210 210 212 212 212 212 213 214 215 216 216 217 218 219 219 220 219 219 218 217 216 216 215 214 213 212 212 212 212 210 210 203 7.5 202 207 210 214 215 216 216 216 217 217 217 218 218 219 220 220 221 221 222 221 221 220 220 219 218 218 217 217 217 216 216 216 215 214 202 10.0 200 207 213 218 219 219 219 220 222 221 220 221 221 222 222 222 223 223 223 223 223 222 222 222 221 221 220 221 222 220 219 219 219 218 200 12.5 178 185 194 202 213 221 228 230 230 230 230 231 233 234 236 236 237 237 238 237 237 236 236 234 233 231 230 230 230 230 228 221 213 202 178 15.0 155 162 175 185 207 222 236 239 237 239 240 242 245 247 249 250 251 252 253 252 251 250 249 247 245 242 240 239 237 239 236 222 207 185 155 17.5 156 166 178 190 208 224 238 248 255 258 261 262 264 265 267 270 272 275 278 275 272 270 267 265 264 262 261 258 255 248 238 224 208 190 156 20.0 157 169 180 194 208 225 240 257 272 277 281 282 283 284 285 289 294 298 302 298 294 289 285 284 283 282 281 277 272 257 240 225 208 194 157 22.5 175 187 197 210 224 246 265 283 288 290 291 294 297 299 302 305 308 311 314 311 308 305 302 299 297 294 291 290 288 283 265 246 224 210 175 25.0 193 205 213 226 239 267 289 309 304 303 301 306 310 315 319 321 322 324 325 324 322 321 319 315 310 306 301 303 304 309 289 267 239 226 193 27.5 196 210 223 241 260 292 309 311 304 302 301 303 305 307 309 307 306 304 302 304 306 307 309 307 305 303 301 302 304 311 309 292 260 241 196 30.0 199 215 233 255 281 317 328 313 304 302 300 300 300 299 299 294 289 284 279 284 289 294 299 299 300 300 300 302 304 313 328 317 281 255 199 32.5 199 217 238 263 295 329 326 302 295 288 282 278 275 271 268 263 259 255 251 255 259 263 268 271 275 278 282 288 295 302 326 329 295 263 199 35.0 199 219 243 271 308 340 324 291 285 275 264 257 250 243 236 233 230 226 223 226 230 233 236 243 250 257 264 275 285 291 324 340 308 271 199 37.5 202 223 248 277 315 333 308 275 265 254 242 235 228 221 214 209 205 200 196 200 205 209 214 221 228 235 242 254 265 275 308 333 315 277 202 40.0 204 227 253 283 321 325 292 259 245 233 220 213 206 198 191 186 180 175 169 175 180 186 191 198 206 213 220 233 245 259 292 325 321 283 204 42.5 199 227 256 290 326 315 279 246 232 216 199 194 189 184 180 174 168 162 156 162 168 174 180 184 189 194 199 216 232 246 279 315 326 290 199 45.0 194 226 259 296 330 304 265 232 219 199 178 176 173 171 168 162 155 149 142 149 155 162 168 171 173 176 178 199 219 232 265 304 330 296 194 47.5 203 236 269 311 333 298 258 230 212 191 170 165 161 157 153 148 143 137 132 137 143 148 153 157 161 165 170 191 212 230 258 298 333 311 203 50.0 212 246 279 326 336 292 251 227 205 183 161 155 150 144 138 134 130 126 122 126 130 134 138 144 150 155 161 183 205 227 251 292 336 326 212 52.5 233 273 303 348 341 290 248 227 197 172 148 139 130 121 113 114 115 116 117 116 115 114 113 121 130 139 148 172 197 227 248 290 341 348 233 55.0 253 300 327 370 346 288 245 226 189 162 134 122 111 99 87 93 100 106 112 106 100 93 87 99 111 122 134 162 189 226 245 288 346 370 253 57.5 260 317 351 385 351 296 248 216 175 144 113 101 90 78 67 76 86 95 105 95 86 76 67 78 90 101 113 144 175 216 248 296 351 385 260 60.0 267 334 374 399 356 303 250 206 160 126 91 80 69 57 46 59 72 85 98 85 72 59 46 57 69 80 91 126 160 206 250 303 356 399 267 62.5 271 346 378 391 338 279 232 183 131 102 73 65 58 50 42 56 69 83 97 83 69 56 42 50 58 65 73 102 131 183 232 279 338 391 271 65.0 274 357 381 382 320 255 214 159 102 79 55 51 47 42 38 52 67 81 95 81 67 52 38 42 47 51 55 79 102 159 214 255 320 382 274 67.5 337 429 451 421 336 261 206 150 90 74 59 52 45 38 31 44 58 71 85 71 58 44 31 38 45 52 59 74 90 150 206 261 336 421 337 70.0 400 501 521 460 352 267 197 140 77 70 62 52 43 33 23 36 49 62 75 62 49 36 23 33 43 52 62 70 77 140 197 267 352 460 400 72.5 372 480 500 404 305 228 158 102 60 54 48 41 35 28 22 31 40 49 59 49 40 31 22 28 35 41 48 54 60 102 158 228 305 404 372 75.0 344 459 479 347 257 189 118 64 43 39 34 31 27 24 20 26 31 37 42 37 31 26 20 24 27 31 34 39 43 64 118 189 257 347 344 77.5 268 354 356 262 204 150 96 50 33 29 26 23 21 19 17 21 24 28 32 28 24 21 17 19 21 23 26 29 33 50 96 150 204 262 268 80.0 191 248 232 176 151 111 73 36 22 20 17 16 16 15 14 16 18 19 21 19 18 16 14 15 16 16 17 20 22 36 73 111 151 176 191 82.5 140 179 169 132 113 81 55 29 20 17 15 14 14 14 14 15 16 17 19 17 16 15 14 14 14 14 15 17 20 29 55 81 113 132 140 85.0 89 109 106 88 75 50 36 21 17 15 12 12 13 13 13 14 15 15 16 15 15 14 13 13 13 12 12 15 17 21 36 50 75 88 89 87.5 65 79 77 63 54 37 27 17 14 12 11 11 11 11 11 12 13 14 15 14 13 12 11 11 11 11 11 12 14 17 27 37 54 63 65 90.0 41 48 48 37 33 24 17 12 11 10 9 9 9 8 8 9 11 12 13 12 11 9 8 8 9 9 9 10 11 12 17 24 33 37 41
Aydınlatma Armatürleri Aydınlatma çözümlerinde ışık kaynaklarının yerleştirildiği armatürlerin kaliteleri ışık dağılımları ve verimleri önemli bir etkendir.
Işık şiddeti değerlerinin ölçümü Armatüre ait ışık şiddeti değerleri içi mat siyah boya ile boyanmış fotometri laboratuarında ganyofotometre yardımı ile ölçülür. Near Field Goniophtometer Far Field Goniophtometer
Tek aynalı Çift aynalı
Aydınlık düzeyi : E (lux) Ortalama aydınlık düzeyi birim yüzeye düşen ışık akısının dik bileşenidir D d a D E lim D S 0 D d DS d ds d M D S Dedektör tipi: Silikon foto diyod Aydınlık düzeyinin tanımı Aydınlık düzeyi ölçümleri lüksmetre ile gerçekleştirilir.
Aydınlık düzeyi değerine ait bazı örnekler Aydınlık düzeyi (lx) Bulutsuz bir yaz günüde öğle vakti 100 000 Bulutsuz bir yaz gününde gölgede 10 000 Parçalı bulutlu havada 5000 İyi aydınlatılmış ofiste 1000 Orta aydınlatılmış oturma odasında 100 Aydınlatılmış yol yüzeyinde 5-30 Açık bir akşam ay ışığında 0.25
Parıltı: L a (cd/m 2 ) Parıltı, en genel halde, yüzeyin belirli bir noktasına ve bakılan doğrultuya bağlıdır. Konunun kolay anlaşılması için, yüzeyin her noktasındaki parıltının eşit olduğu hali gözönüne alırsak, a doğrultusundaki parıltı, o doğrultuki görünen birim yüzeyden çıkan ışık şiddetidir Parıltı ölçümleri parıltı ölçer (lüminansmetre) ile gerçekleştirilir. DSn M DS a DIa G n Bir yüzeyin bir M noktasının a doğrultusundaki parıltısının tanımı.
Parıltı değerine ait bazı örnekler Parıltı (cd/m 2 ) Güneşin yüzeyi 1 650 000 000 Şeffaf akkor telli lambanın flamanı 7 000 000 Opal akkor telli lambanın balnu 200 000 Fluoresan lamba 5000-15 000 Ayın yüzeyi 2500 Güneş ışınları altındaki kumsal 15 000 400 lx altında beyaz kağıt (ρ=%80) 100 400 lx altında griz kağıt (ρ=%40) 50 400 lx altında siyah kağıt (ρ=%4) 5 Aydınlatılmış yol yüzeyi 0.5-2
Kosinüs Yasası D a DS S yüzeyinin aydınlık düzeyi E = E n cosa
Uzaklıklar Karesiyle Ters Orantı Yasası Noktasal bir ışık kaynağı herhangi bir α doğrultusunda I α ışık şiddetini doğuruyorsa, bu doğrultuya dik düzlemlerdeki aydınlık düzeyleri düzlemlerin kaynağa olan uzaklıklarının karesiyle ters orantılıdır. E n E n1 r 1 2 r 2 N r1 r a I a DSn1, En1 M1 Uzaklıklar karesiyle ters orantı yasasının çıkarılması. DS n, E n M DS, E
Noktasal Aydınlatma formülü a I E a M. cosa r n r 2 I a a M
Lambert Yasası Işık yayan bir yüzeyin parıltısı, her doğrultuda sabit ise bu yüzeye Lambert yasasına göre ışık yayan yüzey veya ideal dağıtıcı yüzey denir. L a = L = sabit Eğer bir cisim Lambert yasasına uygun ışık yayıyorsa mat görünüşlüdür. Siyah cisim, opal camlar, badanalar v.b. ideal dağıtıcı cisim olarak kabul edilebilir. Lambert yasasına uygun ışık yayan yüzeylerde (cisimlerde) φ= π.l.s Burada φ(lm) cinsinden yüzeyin yaydığı toplam ışık akısını, L Lambert yasasına göre yüzeyin sabit olan cd/m 2 cinsinden parıltısını ve S de m 2 cinsinden yüzeyin alanını gösterir.
Lambert yasasının daha iyi anlaşılması için bu yasaya uygun ışık yayan basit (temel) aydınlatma aygıtlarının ışık akıları ve ışık dağılım eğrileri Düzlem S I a = I o. cos a M a φ = π.i o I a I o Lambert yasasına uygun ışık yayan düzlemsel ışık kaynağının ışık dağılım eğrisi. Işık yayan ikincil düzlemlerin genel olarak yansıtma faktörü ρ < 1 olduğundan düzleme gelen φ ışık akısının φ ρ = ρφ kısmı yansır ve Lambert yasasına göre ışık yayar. Bundan dolayı φ ρ = ρ.φ = ρ. E. S = π. L. S ρ. E = π. L
Küre I a = I o =sabit r φ = 4 π.i o a I a Lambert yasasına uygun ışık yayan bir küresel ışık kaynağının ışık dağılım eğrisi. Yarı küre r a I a I a = I o /2 (1+cosa) φ = 2 π.i o I o Lambert yasasına uygun ışık yayan küresel bir ışık kaynağının ışık dağılım eğrisi.
Silindir d h I o I a = I o. sina φ = π 2.I o a I a Lambert yasasına uygun ışık yayan silindirik bir ışık kaynağının ışık dağılım eğrisi
Ömür Ekonomik ömür: İstatistiksel bakımdan değerlendirmeye yetecek sayıda lambadan oluşan bir aydınlatma tesisatında, 100 saat kullanımdan sonraki toplam ışık akısının lambaların kullanılamaz hale gelmesi ve ışık akılarının azalmasından dolayı yaklaşık %30 değer kaybetmesi için geçen süredir. Ortalama ömür: İstatistiksel bakımdan değerlendirmeye yetecek sayıda lambadan oluşan bir aydınlatma tesisatında, normal şartlarda lambaların %50 sinin kullanılamaz hale gelmesi için geçen süredir.
Renk sıcaklığı Birim: Kelvin ( K ) Eğer bir cisim, üzerine düşen değişik dalga boylarındaki radyasyonların hepsini yutabiliyorsa bu cisme siyah cisim denir ve siyah cismin spektral yutma faktörü teorik olarak 1 kabul edilir. Yutma faktörü 1 olan cisimler ise üzerlerine gelen ışığın tüm dalga boylarını yutarlar. Bu bağlamda renk sıcaklığı, siyah bir cisme ısı enerjisi verildiğinde önce ısınmaya başlayacak sonra sarımsı, sarı, sarı beyaz ve sonunda mavi beyaz bir ışık yayacaktır. Işık kaynaklarının ışık rengi, tayflarındaki ışınım yoğunluklarının farklı şekilde olmalarına bağlıdır. Bir cismin gerçek sıcaklığı yerine renk sıcaklığı adı verilen bir sıcaklık konduğu zaman o sıcaklıktaki siyah cisim gibi ışık yaydığı sıcaklığa renk sıcaklığı denir. Renk sıcaklığı ( K) Işık rengi < 3300 Sıcak (kırmızımsı beyaz) 3300-5300 Orta sıcak (beyaz) >5300 Soğuk (mavimsi beyaz) Renk ölçer (Color meter)
Renksel geriverim endeksi (R a ) Işık kaynaklarının aydınlattıkları cisimlerin renklerini ayırt ettirebilme özelliklerine renksel geriverim endeksi denir. Değişik ışık kaynaklarının renksel karakteristiklerini karşılaştırabilmek için renksel geriverim indeksi (Color Rendering Index CRI) kullanılmaktadır. Bir referans kaynak ile çeşitli ışık kaynaklarının bu karakteristikleri ölçülebilmektedir. Bu ölçümlerde, spektrumu sürekli olan güneş referans alınmaktadır. Renksel geriverim R a ile gösterilir ve birimi yoktur. Bir ışık kaynağının renksel geriverim indeksi, maksimum olan 100 değerine sahipse (Ra=100), o kaynağın spektral dağılımları alınan referans kaynak ile aynı olduğu anlamına gelmektedir. Yani güneşin altında görünen renkler, renksel geriverim indeksi Ra=100 olan ışık kaynaklarında aynı şekilde algılanmaktadır DIN 5035 Normuna göre kategoriler Renksel geriverim 1A 90-100 1B 80-90 2A 70-80 2B 60-70 3 40-60 4 20-40
R a =90 R a =70 R a =50
Işık üretimi -Termik Işık Üretimi: En eski ve hala en yaygın kullanılan ışık üretim şeklidir. Sıvı ya da katılar yüksek sıcaklıkta kızgın duruma geçtikleri zaman akkor hale gelirler ve ışık yayarlar. Enkandesen lambalar da bu esasa göre ışık üretirler. Termik ışık üretiminde üretilen ışığın dalga spektrumu süreklidir. Bu sebeple termik ışık kaynaklarının renksel geriverim değerleri güneş ışığına çok yakındır. Günümüzde termik ışık üretim esasına göre ışık üreten kaynaklar içinde en yaygın kullanılanları enkandesen ve halojen lambalardır. Luminesan Işık Üretimi: Luminesan ışık üretiminde termik ışık üretiminde olduğu gibi cismin sıcaklığı önemli değildir. Atom ve moleküller uyarılmış durumdan temel duruma geçerken aldıkları enerjiyi ışınım olarak geri verirler. Bu durum iki katı elektrot arasındaki normalde yalıtkan halde bulunan gazın elektrik akımı ile iletken hale gelip, oluşan elektron akışının gaz atomlarını uyarması ya da iyonize etmesi ile gerçekleşir. Bir elektrottan diğerine akan elektronlar yollarına çıkan gaz atomları ile çarpışır. Bu durumda hareket halindeki elektronların hızına bağlı olarak üç farklı durum olabilir: 1. Elektronların hızı küçükse atoma çarpan elektronlar elastik olarak yansırlar ve ışıma meydana gelmez. Isı açığa çıkar. 2. Elektronların hızı atomları uyarmak için yeterli büyüklükte ise elektronlar atomları uyarır ve atomlar temel durumlarına geçerken ışıma olur. 3. Elektronların hızı atomları iyonize edecek kadar büyükse, atom iyonize olur ve ortamda yeni parçacıklar oluşur. Lüminesan ışık üretiminde termik ışık üretiminin aksine ışığın spektrumu sürekli değildir. Kullanılan gazların çeşidine ve kısmi basınçlarına göre belli dalga boylarında ışık yayarlar. Bu esasa göre çalışan lambalar, içindeki gazın basıncına göre yüksek basınçlı ya da alçak basınçlı olarak adlandırılır. Günümüzde kullanılan deşarj lambalarında genellikle civa ya da sodyum gazı kullanılmaktadır
Işık kaynaklarının gelişimi
Işık kaynakları
Bir akkor telli lamba, üç kısımdan oluşur: 1) Işık yayan tel, 2) Havası boşaltılmış veya dolgu gazı (asal gaz) doldurulmuş cam balon, 3) Işık yayan telden elektrik akımının geçmesini sağlayan başlık Bir akkor telli lambanın boyutları D (mm) çap ve L (mm) uzunluk olarak verilir.
Halojen Lambalar
Deşarj Lambalarının Çalıştırılması İçin Gerekli Araçlar Deşarj lambaları akkor telli veya karma ışık lambaları gibi doğrudan doğruya şebekeye bağlanmazlar. Bunlar, akım sınırlayıcı ve lambayı ateşleyici araçlara gereksinim gösterirler.
Fluoresan Lambalar
Kompakt Fluoresan Lambalar (KFL)
Yüksek Basınçlı Civa Buharlı Deşarj Lambaları
Metal Halojen Lambalar (Metal Halide Lambalar)
Alçak Basınçlı Sodyum Buharlı Deşarj Lambaları
Yüksek Basınçlı Sodyum Buharlı Deşarj Lambaları
Lamba tipi Lamba gücü (W) Işık akısı (lm) Etkinlik fak. (lm/w)* 125 6200 45 Yüksek basınçlı civa 250 12700 47 buharlı 400 22000 52 110 10400 84 220 20000 84 350 34000 92 İçten ateşlemeli yüksek basınçlı sodyum buharlı Fluoresan kaplamalı elipsoidal yüksek basınçlı sodyum buharlı (dıştan ignitörlü) Şeffaf tüp yüksek basınçlı sodyum buharlı Alçak basınçlı sodyum buharlı Metal halojen lamba 70 5800 72 100 9200 82 150 14500 87 250 27000 98 400 48000 112 50 4400 72 70 6600 80 100 10000 87 150 17500 104 250 33000 120 400 56500 132 18 1800 72 35 4600 92 55 8100 117 90 13700 130 135 22500 142 180 32000 142 70 6500 74 150 14000 84 250 20500 75 400 35000 81 * Etkinlik faktörü balast kaybı dikkate alınarak hesaplanmıştır. ** Işık akısının %30 değer kaybettiği ana kadar geçen süre. Ekonomik ömür (saat)** Renksel geriverim (R a ) 4000 40-60 9000 20-40 16000 20-40 21000 20-40 13500-6000-9000 70-80
LED LED, ingilizce'de Light Emitting Diode kelimelerinin kısaltılmış halidir ve Işık Yayan Diyot anlamına gelir. LED ler elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. LED (ışık yayan diyot) elektrolüminesan ışık üretimine dayanır. Elektrik enerjisinin doğrudan ışık enerjisine dönüştürülmesine dayanan bu proses 1920 lere dayanmakla beraber pratik anlamda 1960 larda ortaya atılmıştır. Bir p-n jonksiyon yarıiletkenin bir tarafına enjekte edilen elektron yüzeye yakın bir yerde sıkışır ve yarıiletkenin diğer tarafından enjekte edilen delikle birleşir ve ışık yayan bir foton oluşur.
LED in en önemli kısmı yarı iletken malzemeden oluşan ve ışık yayan LED çipidir. LED çipi noktasal bir ışık kaynağıdır ve kılıf içine yerleştirilmiş yansıtıcı eleman sayesinde ışığın belirli bir yöne doğru yayılması sağlanır. Uyarılmış elektronlar, uyarılmış durumdan normal duruma geçerken enerji açığa çıkmaktadır. Bu durum bir yarı iletkende gerçekleştiği zaman, uyarılan elektronlar bir miktar enerji açığa çıkaracaktır. Silikon da açığa çıkan bu enerji görülebilir ışık üretemezken, farklı bileşiklerde (örn. GaAs) bu mümkün olmaktadır. Üretilen ışığın dalga boyları, iletim bandı ve elektronların valans bandı arasındaki enerji boşluğuna bağlı olarak değişir. Bu durumda dalga boyu; hc / Eg = λ λ : dalga boyu h : Planck sabiti c : ışık hızı Eg : enerji boşluğu
LED lerin yaydığı ışık, LED çipi içerisindeki yarı iletken katkı maddeleri ile ilgilidir. LED in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrit gibi kimyasal malzemelerden uygun oranda yarı iletken malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED çipinin istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır. Malzeme/Oranlar Renk Tepe Dalga Boyu (nm) GaAs Kızıl Ötesi 950 AlGaAs Kırmızı 650 Ga0,6As0,4P Kırmızı 660 Ga0,35As0,65P Turuncu 632 Ga0,15As0,85P Sarı 590 GaP Yeşil 570 SiC Mavi 470 GaN Mavi 465
Bir LED aşağıdaki unsurlardan oluşur, LED chip (ışık yayan kısım) Işık dağılımına kumanda eden mercek veya cam Metal soğutucu LED chip i metal soğutucuya irtibatlayan tabaka Dış dare etkilerden koruyan gövde Enerji bağlantı uçları LED chip, bir ışık geçiren iletken film ile bir ışık yansıtan film arasına yerleştirilmiş p-n jonksiyon yarıiletkendir. Işık geçiren film çoğunlukla iletken camdır, ışık yansıtan film ise buharlaştırılarak kaplanmış metal, çoğunlukla alüminyumdur.
LED doğası gereği tek renklidir. İlk ticari LED ler kırmızı olmakla birlikte, günümüzde LED ışık kaynakları ile hemen hemen tüm renkler elde edilebilmektedir. LED lerin genel aydınlatma piyasasına önemli ölçüde girebilmeleri, beyaz ışığın yüksek etkinlik faktörleriyle üretimi sayesinde mümkün olmuştur. LED lerde beyaz ışığın eldesinde kullanılan yöntemler şu şekildedir - Kısa dalga boylarında ışıma yapan bir diyotun, kısa dalga boylarındaki ışınları absorbe edip bunları uzun dalga boylarına dönüştüren fosfor ile kaplanması: Bu yöntem günümüzde beyaz ışık eldesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. - Mor ötesi bölgede ışıma yapan bir diyot ile bir veya daha fazla fosfor tabakasının birleştirilmesi: Bu yöntemle mor ötesi ışık görünür bölgede ışığa dönüştürülür. - Farklı görünür dalga boylarında ışıma yapan en az 3 adet diyotun birleştirilmesi: Bu yöntemle elde edilen beyaz ışığın renk sıcaklığı, kullanılan renklerin oranına bağlıdır.
COB LED İngilizce chip on board kelimelerinin baş harflerinden oluşan paketlenmiş LED dizininin jenerik adıdır. Esas itibarı ile bir bord üzerine dizilmiş birden fazla LED yongasının paketlemiş adıdır. Power LED Aydınlatmada kullanılan yüksek ışık ihtiyaçlarını karşılamak üzere üretilmiş 0.5 W ve daha fazla elektrik tüketen LED ışık kaynakları powerled (güç LED leri) olarak adlandırılır. SMD LED İngilizce Surface Mount Device (yüzeye monte edilebilen eleman) kelimelerinin kısaltmasıdır.
Akım sınırlamalı besleme kaynakları Power Led lerin beslemesinde kullanılmaktadır. Power Led lerin güçleri genelde 0.5W, 1W, 2W,3W ve 5W olup, bunlar genelde 350mA, 700mA, 1050mA, 1400mA ve 1750mA LED sürücüler ( LED driver) ile beslenmektedir. Power Led's üretici firmaları ürünlerinin beslenmesinde mutlaka Akım sınırlamalı LED güç kaynaklarının kullanılmasını istemektedirler. Bunun ana nedeni, Power Led ler akım sınrlaması olmaz ise fazla akım çekerler, buda ısınmalarına ve LED's lerin tercih edilmesinin ana sebebi olan ömürlerinin uzunluğunu kısaltır.
Unlike traditional bulbs, light is emitted in one direction and heat goes out the other LED Junction
Thermal Losses Light output vs. increased junction temperature T j
LED Junction Temperature vs. Lifetime T j affects LED lifetime & long-term lumen maintenance Tj ( C) X X + 10 X + 20 L70 51,000 hrs 44,000 hrs 38,000 hrs
LED Electrical Design Goal: Control light output of LED system LED light output varies with current 250 Relative Intensity (%) 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 Forward Current (ma)
IESNA LM-79-08: Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid State Lighting Products, (Standart yöntem: Katı hal aydınlatma ürünleri için elektriksel ve fotometrik ölçümler) 2008 yılında çıkan bu standart, LED ışık kaynaklı armatürlerin, LED ışık motorlarının (LED çip + soğutucu elemanları) ve kendinden balastlı LED lambaların fotometrik ve elektriksel ölçümlerini içermektedir. Toplam ışık akısı, etkinlik faktörü, renksel özellikleri, açısal ışık şiddeti ölçümleri için, küre-spektroradyometre, kürefotometre ve gonyofotometre yöntemleri açıklanmaktadır. LED çiplerinin ölçümünü kapsamaz. Konvansiyonel armatürler genel olarak bağıl fotometri ile ölçülürler. Etkinlik değeri belirlenmek istenen armatür ve ışık kaynağı bir arada ölçülerek armatür ışık akısı belirlenir. Daha sonra ışık kaynağı çıplak olarak ölçülür ve iki değer oranlanarak armatürün ışık çıktı oranı (LOR: Light Output Ratio) hesaplanabilir. LED armatürler için ışık kaynağı ve armatür gövdesini ayrı ölçmek mümkün değildir. Bunun en önemli sebebi LED lerin armatür içinde ve dışında sınır koşulları değiştiği için performanslarının değişmesidir. Bu sebeple LED ışık kaynağı kullanan armatürler için mutlak fotometri ölçümleri yapılmalıdır. Bu sebeple LM 79-08, LED armatürler için mutlak fotometri önermektedir. Ortam koşulları 25 C olarak standartlaştırılmıştır. Armatürün ölçülmesi için ısıl dengeye gelmesi beklenmelidir. Armatürün ısıl dengeye ulaştığını anlamak için 15 dakika aralıklarla elektriksel ölçüm alınmasını, bu ölçümler arasındaki fark binde beşten az olduğu takdirde armatürün ölçülmesi gerektiğini vurgulamaktadır. Ayrıca farklı montaj şekillerinde armatürün ısıl dengesi değişeceği için, armatürü orijinal yanma pozisyonunda ölçülmesini önermektedir. En ideal ölçüm koşulları için şartlar sunan LM 79-80, LED lerin gerçek çalışma koşullarındaki performansları için bir yol önermemektedir.
IESNA LM-80-08: Approved Method: Lumen Maintenance Testing of LED Light Sources, (Standart yöntem: LED ışık kaynaklarının zamana bağlı ışık akısı ölçümleri) 2008 yılında çıkan IESNA LM-80-08, LED çipleri için (armatürleri içermemektedir) zamana bağlı ışık akısı düşümü ölçüm yöntemlerini içermektedir. Bu standarda göre LED ler; 55 C, 85 C ve üreticinin belirleyeceği bir paket sıcaklığında en az 6000 saat çalışır halde tutulmalıdır. LED leri belirli sıcaklık derecelerinde tutmak için sabit sıcaklık düzenekleri oluşturulmalıdır. Minimum her 1000 saatte bir, 25 C ortam sıcaklığında fotometrik ölçüm alınarak LED lerin ışık akılarındaki düşüş kayıt edilmelidir. Ölçüm sonuçları ile farklı sıcaklık derecelerindeki ışık akısı azalmalarının karakterize edilmesi amaçlanmaktadır. Minimum 6000, tercihen 10000 saat süren bu ölçümlerin sonundaki ışık akısı değerleri, ilk durumla karşılaştırılarak düşüş belirlenmelidir. LM 80-08 sadece ölçülen süre için sonuçların verilmesine izin verir. LED ışık kaynaklarının performansı genel olarak; kullanım sıklığı, yardımcı komponent ve armatürlerin etkisi, ortam sıcaklığı, hava akışı ve yönelimlerine bağlı olarak değişmektedir. LM 80-08 sadece kontrollü bir laboratuvar ortamında LED ışık kaynaklarının ışık akılarını koruma miktarı ölçümü için bir yol tanımlar. Ölçülen LED ışık kaynaklarının gerçek uygulamalardaki ve armatür içindeki performansı için bir tahmin öngörmez. Mutlak ölçülen çalışma saati dışındaki tahminler için bir ekstrapolasyon yöntemi önermez. LED in ömrü için, LM 80-08 verilerinin belirli bir metot ile ekstrapolasyonu ise, IESNA TM 21-11 Life Estimation Test Method standardı ile gerçekleştirilir.
IESNA TM 21-11: Life Estimation Test Method (Ömür öngörü test yöntemi) IES LM 80-08, Işık Kaynaklarının, İlk Durumdaki Işık Akılarını Koruma Yüzdesi Ölçümü standardı inorganik LED bazlı paketlerin, modüllerin ve çiplerin ilk durumdaki ışık akısı koruma yüzdelerinin ölçülmesini kapsar. LED lerin ışık akılarının düşme karakterini belirler. LED üreticileri, minimum 6000 saatlik ölçüm ile LED ışık kaynaklarının LM-80-08 raporlarını sunmaktadır. LED lerin 6000 saat sonrasındaki ışık akılarını tahmin etmek için ise geçerli bir yöntem yoktur. LED lerin ışık akılarını koruma yüzdeleri, ilk ışık akılarının, kullanım ömrü boyunca ne kadar koruduklarını belirtir ve p koruma yüzdesi olmak üzere Lp ile belirtilir. Örneğin L 70 (saat olarak), LED in ilk ışık akısının %70 ine düştüğü zamanı gösterir. Bu zaman birçok değişkene bağlıdır (sıcaklık, sürme akımı, kullanılan malzeme vb.). LED lerin ışık akılarını koruma yüzdeleri, bu değişkenlerden dolayı, üreticiler arasında ve hatta aynı üretici için değişebilmektedir. TM 21-11, LM 80-08 ölçümlerinden elde edilen veriler ile, uzun dönem performans tahmini yapmak için bir metot önerir. LM-80-08 de belirtilen tüm test koşulları geçerlidir. Tavsiye edilen minimum numune sayısı 20 dir. 20 numune ile yapılan ölçümler ile, ölçüm süresinin (6000, 10000 saat vb.) maksimum 6 katına kadar projeksiyon yapılabilir. 10-19 arasındaki numune sayıları için, ölçüm süresinin 5.5 katına kadar projeksiyon yapılabilir. 10 taneden az numune sayısı için projeksiyon yapılmamalıdır. Önerilen metot, LM-80-08 ile ölçülmüş verilere eğri-uydurma yöntemi ile, LED lerin ilk ışık akısının belirli miktara (genelde %70) düşene kadar geçen süreyi ve bu süre sonundaki ışık akısını tahmin eder. Ölçülen her numune için, önerilen yöntem ayrıca kullanılır. Ölçülen veriler, ilk ölçüm anında (0. Saat) %100 e karşı gelecek şekilde normalize edilir. Ölçülen bütün numunelerden elde edilen verilerin ortalaması kullanılır. D, ölçüm süresini göstermek üzere, en az 6000 saat (tercihen 10000 saat) ölçümün son 5000 saati kullanılır. İlk 1000 saatlik veri kullanılmaz. 10000 saatten uzun ölçümlerde ölçüm süresinin son yarısı kullanılır. Örneğin 13000 saatlik bir ölçüm için, 6500-13000 arasındaki veriler kullanılmalıdır. Işık akısı koruma zamanı Denklem 4 te verildiği gibi gösterilir. L p = (Dk) (4) p = İlk durumdaki ışık akısının korunan yüzdesi D = Toplam ölçüm zamanı nın 1000 e bölünerek en yakın tamsayıya tamamlanmış hali Örnek olarak, L 70 = (6k), 6000 saatlik ölçüm verisi için, ilk durumdaki ışık akısının %70 e düştüğü süre olarak söylenmelidir. Eğer ölçülen veri üzerinden hesaplanan ışık akısını koruma yüzdesi zamanı, ölçüm zamanının 6 katından fazla ise, TM 21 sonucu büyüktür işareti ile verilir. L 70 (6k) > 36000 saat (T = 55 C, I = 350 ma), 6000 saatlik ölçüm süresi sonunda, LED %70 ten fazla ışık akısını korumuştur. LED in %70 ışık akısını koruma zamanı, 36000 saatten fazladır olarak yorumlanmalıdır.
Saha ölçümleri İç aydınlatma ölçümleri -Aydınlık düzeyi ölçümleri: Ölçüm alanı genelde 1mx1m boyutunda gridlere bölünür. Her gridin ortasındaki aydınlık düzeyi değeri lüksmetre ile ölçülür. E ort HNS E i min i 1 oa Eort HNS U E * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Ölçüm gridleri
Yol aydınlatması -Aydınlık düzeyi: lüksmetre ile ölçüm yapılır -Parıltı: Parıltı ölçer ile ölçüm yapılır. Hesap noktaları D/2 D 60m * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 60m w ş /2 * * * * * * * * * * d * * * * * * * * * * * * * * d/2 * * * * * * w ş N: boyuna doğrultudaki hesap noktaları sayısı eğer direkler arası mesafe; s 30m ise N = 10 eğer direkler arası mesafe; s > 30m ise D 3m olacak şekilde N belirlenir. Her bir şeritte enine doğrultudaki hesap çizgisi sayısı : 3 d: Enine doğrultuda hesap noktaları arasındaki mesafe: w ş / 3 Gözlemci konumu: Hesap alanındaki ilk armatürden 60m geride ve her şeridin ortasında bulunmaktadır. Hesap alanındaki toplam hesap noktası sayısı (HNS) : N x şerit sayısı x 3
Yol Aydınlatması tesisatlarında hesaplanacak parametreler Ortalama parıltı düzeyi, (Lort- cd/m 2 ) Tüm hesap noktalarında, gözlemci konumuna göre hesaplanmış parıltıların toplamının, hesaplanan nokta sayısına bölümü ile elde edilir. Her gözlemci konumu için ayrı ayrı hesaplanır. HNS Ortalama parıltı düzgünlüğü (U o ) Minimum yol parıltısının, ortalama yol parıltısına oranıdır. Her gözlemci konumu için ayrı ayrı hesaplanır. L i ort 1 L i HNS U o L L min o
Boyuna parıltı düzeyi düzgünlüğü, (U l ) Gözlemcinin bulunduğu her şeridin orta çizgisi boyunca hesaplanan minimum yol parıltısının, maksimum yol parıltısına oranıdır. Her bir yol şeridi için, ayrı ayrı hesaplanması gereklidir. U l L min L max