مفهوم زاویه تابش در لامپ LED و صرفه جویی حاصل از آن در تامین روشنایی

زاویه تابش در لامپ LED

برای داشتن درک درستی از نور و روشنایی یک فضا و اینکه چگونه در خرید لامپ LED یک انتخاب صحیح و آگاهانه انجام دهیم، لازم است تا با مفاهیم روشنایی آشنا شویم تا ضمن صرفه جویی بیشتر در مصرف انرژی، نور مناسب را برای محیط زندگی خود فراهم نماییم. در این نوشته ابتدا به تشریح مفاهیم پر کاربرد حوزه نور و روشنایی پرداخته شده و در ادامه به بیان چگونگی انتخاب یک لامپ LED مناسب برای تامین نور محیط میپردازیم:

کل نور تابش شده از یک منبع نوری در واحد زمان در تمامی جهتها در فضا را شار نوری (Luminous Flux) مینامند. واحد اندازه گیری شار نوری لومن نام دارد که با (lm) نشان داده میشود. شار نوری یکی مشخصه های یک لامپ برای ارزیابی میزان نور دهی آن است. در یک دمای رنگ یکسان هرچه شار نوری لامپ بیشتر باشد، لامپ پر نور تر به نظر میرسد. برای روشنتر شدن این موضوع فرض کنید دو لامپ حبابی شکل با توان مصرفی یکسان و با نور آفتابی و دمای رنگ ۳۰۰۰ کلوین موجودند. شار نوری یکی از آنها lm350 و شار نوری دیگری lm 400 است. لامپ با شار نوری lm400 پرنورتر به نظر میرسد.

متاسفانه تصور اشتباهی در میان برخی از خریداران لامپ وجود دارد که میپندارند هرچه توان لامپ بیشتر باشد آن لامپ پرنورتر است و باید هزینه بیشتری بابت خرید آن لامپ بپردازند. در حالیکه این تصور کاملاً غلط است، زیرا برای مقایسه نور دهی لامپها در هنگام خرید باید به شار نوری آنها توجه نمود.

از طرف دیگر، عمده لامپهای التهابی و کم مصرف CFL به نحوی طراحی و ساخته میشوند که نور ساطع شده از آنها در تمامی جهات میتابد و به نحوی غیر جهت دار یا همه سو تاب محسوب میشوند. در حالیکه در لامپهای LED با توجه به تنوع تولید آنها در ابعاد و شکلهای متنوع علاوه بر محصولات همه سو تاب، محصولاتی ارائه گردیده است که جهت دار نامیده میشوند و به عبارت دیگر عمده نور ساطع شده از آنها در جهت خاصی تابیده میگردد. از این رو، نکته مهم دیگر در انتخاب یک لامپ LED مناسب این است که باید دقت شود که لامپ خریداری شده در چه نوع چراغی استفاده شده و نور لامپ خریداری شده چه استفاده ای برای ما دارد.

بهتر است تا منظور از نوع استفاده را با ذکر مثالی شرح دهیم. فرض کنید شما میخواهید لامپ را در داخل یک لوستر قرار دهید تا کل فضای اطراف لامپ روشن گردد، یا اینکه شما در اتاق کارتان میخواهید تا صرفاٌ نور کافی به میز کارتان برسد و روشنایی بالای محل نصب لامپ برایتان اهمیتی ندارد. یا صرفاً نورپردازی به یک موضع نظیر یک تابلوی نقاشی یا یک مجسمه مد نظر باشد. در هر یک از این کاربردها علاوه بر میزان شار نوری لامپ در انتخاب لامپ باید مفهوم زاویه تابش لامپ نیز مورد توجه قرار گیرد تا علاوه بر داشتن نور دلخواه و کافی در هزینه انرژی مصرفی نیز صرفه جویی بیشتری صورت گیرد. برای تشریح این مطلب، با ذکر مثالهایی به اهمیت زاویه تابش در انتخاب آگاهانه لامپ مناسب پرداخته میشود.

تفاوت زاویه تابش در طراحی دولامپ LED مختلف

در صورتی که نور تولید شده از منبع نور توسط رفلکتور یا لنز به صورت جهت دار تابش گردد، کمیتی به نام شدت نور (Luminous Intensity) تعریف میگردد که واحد آن کندل (cd) است. اگر دو لامپ با شار نوری یکسان در دو چراغ با دو رفلکتور با زاویه تابش متفاوت نصب گردند و یا دو لامپ با شار نوری یکسان دارای زاویه تابشهای متفاوتی باشند، نور تابیده شده از لامپ یا چراغ دارای زاویه تابش کمتر، درخشانتر (با شدت نور بیشتر) از نور تابیده شده از لامپ یا دارای زاویه تابش بیشتر، دیده میشود.

زاویه تابش (Beam Angle) ، 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 ۵۰% شدت نور در محور پرتو است. این دو خط فرضی که در حقیقت اضلاع زاویه تابش محسوب میشوند، یک نقطه مشترک با یکدیگر دارند که رأس زاویه تابش نام دارد و آن نقطه، مرکز سطح جلویی لامپ است. به عبارت دیگر اضلاع زاویه تابش در جایی قرار دارند که شدت نور آنجا ۵۰% شدت نور محور پرتو است. مقدار شار نوری تابیده شده به یک سطح معین را شدت روشنایی (Illuminance) مینامند. واحد اندازه گیری شدت روشنایی لوکس (Lux) است. یک لوکس برابر با شار نوری lm1 است که روی سطحی با مساحت ۲m1 تابیده شده است. میزان شدت روشنایی با فاصله منبع نور از سطح متناسب است. به عبارت دیگر، هرچه فاصله نصب یک لامپ یا چراغ از یک سطح معین مانند میز کار بیشتر گردد، شدت روشنایی بر روی آن سطح کار کمتر میشود. در صورتی که شار نوری یک منبع نور مستقل از فاصله است. برای اندازه گیری شدت روشنایی از وسیله ای بنام لوکس متر استفاده میگردد.

به منظور داشتن نور مناسب در یک فضا، ابتدا باید شدت روشنایی مورد نیاز در فضای موردنظر را با توجه به جدولهای استاندارد تعیین نمود. این جدولها شدت روشنایی مناسب برای هر فضا را با توجه به نوع فعالیت و بر اساس میزان دقت کاری که در آن فضا انجام میشود، مشخص کرده اند. همچنین ویژگی های فرهنگی و سلیقه مصرف کننده نیز در میزان شدت روشنایی مناسب در یک محیط تاثیرگذار میباشد. به عنوان مثال، ممکن است یک خانواده برای تماشای تلویزیون در اتاق نشیمن شدت روشنایی بیشتری را نسبت به یک خانواده دیگر ترجیح دهند یا در برخی فرهنگها استفاده از نورهای موضعی نظیر استفاده از چراغ مطالعه و آباژور متداول تر باشد.

همانطور که پیشتر گفته شد، شار نوری یک لامپ برای تعیین میزان شدت روشنایی یک فضای مشخص به تنهایی کافی نیست و نوع چراغ مورد استفاده، ارتفاع نصب چراغ، زاویه تابش نور لامپ و چراغ، رنگ دیوارها، سقف و کف و حتی میزان گرد و غبار فضای مذکور، در تعیین شدت روشنایی نقش بسیار مهمی را دارا میباشند. از این رو، داشتن منحنی پخش نور چراغ و زاویه تابش لامپ در طراحی روشنایی برای طراحان روشنایی از اهمیت بالایی برخوردار است. برای روشن شدن این موضوع فرض کنید هدف، روشن کردن سطح یک میز در زیر یک چراغ باشد. برای تحقق این منظور دو حالت (۱) و (۲) را در نظر بگیرید:

۱- یک لامپ جهت دار با زاویه تابش ۱۲۰ درجه در چراغی نصب شده است که لامپ به صورت (Base up) در آن قرار گیرد، یعنی کلاهک لامپ نصب شده در بالا قرار گیرد و نور لامپ به سمت پایین بتابد.

۲- همان لامپ جهت دار مذکور، در چراغی نصب شده است که لامپ در همان فاصله به صورت (Base down) در آن قرار گیرد، یعنی کلاهک لامپ نصب شده در پایین قرار گیرد و نور لامپ به سمت بالا بتابد.

اگر شدت روشنایی را در روی سطح میز کاری که در زیر این چراغ قرار دارد با لوکس متر اندازه گیری نماییم، مشخص میگردد که شدت روشنایی در روی سطح میز در حالت (۱) بیشتر از حالت (۲) است. چرا که با توجه به موقعیت نصب چراغ و زاویه تابش لامپ، نور رسیده به فضای زیرین در حالت (۱) بیشتر خواهد بود.

چراغ سقفی
نمونه ای از چراغ های سقفی

به عنوان مثال دیگر دو حالت (۳) و (۴) را در نظر بگیرید که باز هم هدف، روشن کردن فضای زیرین چراغ است:

۳- یک لامپ غیر جهت دار (همه سو تاب) با شار نوری ۷۲۰ لومن در یک چراغ سقفی به صورتی که کلاهک لامپ به سمت بالا قرار داشته باشد، نصب شده است.

۴- لامپ جهت داری با زاویه تابش ۲۴۰ درجه با همان شار نوری ۷۲۰ لومن در همان چراغ و به همان صورت نصب شده است.

با اینکه شار نوری دو لامپ اشاره شده در بالا یکسان است، اما شدت روشنایی در سطح زیر چراغ در حالت (۴) بیشتر از حالت (۳) خواهد بود، چراکه شار نوری لامپ در حالت (۴) با توجه به طراحی لامپ به جای تابش در همه جهات، تنها در جهت خاصی منتشر شده است که مطلوب ماست. به عبارت دیگر درصد بالایی از نور تابیده شده از لامپ (۳) به داخل چراغ سقفی تابیده و هدر میرود. لذا توصیه میگردد در داخل چراغهای سقفی و قابهای هالوژنی که معمولاً در دور فضاهای خانگی یا اداری و یا در ویترین مغازه ها نصب میگردد، به جای استفاده از لامپهای غیر جهت دار یا همه سو تاب از لامپهای جهت دار یا لامپهایی استفاده گردد که زاویه تابش محدودتری دارند تا از شار نوری تولید شده توسط لامپ نهایت استفاده صورت گیرد و نور لامپ در داخل قاب چراغ به هدر نرود.

نکته دیگری که برای تامین روشنایی محیط با لامپهای LED باید مورد توجه قرار گیرد، لزوم تمایز بین دو لامپ با شار نوری یکسان ولی با زاویه تابش متفاوت است. به عنوان مثال، اگر دو لامپ Spotlight در فاصله یکسان از یک موضع و دارای شار نوری یکسان باشند و هدف روشن کردن موضعی سطح زیرین لامپهای مذکور باشد، در صورتی که زاویه تابش آنها با یکدیگر متفاوت باشد ، سطح زیر لامپی که دارای زاویه تابش کوچکتر است روشنتر به نظر میرسد. اما لامپ با زاویه تابش بزرگتر در مقایسه با لامپ با زاویه تابش کوچکتر در فواصل یکسان، سطح بیشتری را روشن میکند. لذا توصیه میشود برای توصیف میزان نور دهی یک لامپ جهت دار، علاوه بر شار نوری آن، شدت نور آن لامپ در مرکز بر حسب کندل (cd) و زاویه تابش آن در مشخصات فنی ذکر گردد تا مصرف کننده بتواند انتخاب درستی انجام دهد.

تفاوت درخشندگی و فضایی که روشن میشود برای دو لامپ Spotlight با زاویه تابش مختلف

راهکار دیگر به عنوان یک معیار مقایسه ای برای نور دهی لامپهای جهت دار و سهولت انتخاب توسط مصرف کننده، تعریف مشخصهای به نام شدت روشنایی موثر است. در تعیین شدت روشنایی موثر، تاثیر شار نوری و نیز زاویه تابش لامپ در نظر گرفته می شود تا خریدار بر حسب کاربردی که مد نظر دارد، به سهولت بتواند لامپ منطبق با نیاز خود را خریداری کند. به عبارت دیگر، فرض کنید خریداری میخواهد لامپ پر مصرف التهابی ۱۰۰ وات خود را که در داخل یک چراغ سقفی است، با یک لامپ LED جایگزین نماید. فرض میکنیم لامپ التهابی مذکور شار نوری برابر با ۱۲۰۰ لومن را دارا است و عمده نور تولیدی توسط آن در زاویه فضایی ۳۴۵ درجه گسیل میگردد. با یک محاسبه سر انگشتی مشخص میگردد که لامپ مناسب برای جایگزینی لامپ پر مصرف التهابی با یک لامپ LED ، میتواند دارای زاویه تابش ۲۳۰ درجه و شار نوری ۸۰۰ لومن باشد. به عبارت دیگر با لامپ LED که دارای زاویه تابش ۲۳۰ درجه و شار نوری ۸۰۰ لومن است، میتوان همان میزان شدت روشنایی را در سطح زیرین لامپ ایجاد نمود. چنین لامپی با استفاده از فن آوری فعلی LED در حال حاضر دارای توان مصرفی کمتر از ۱۰ وات است و این یعنی ۹۰ واتِ ساعت صرفه جویی انرژی به ازای هر ساعت کارکرد در ازای جایگزینی لامپ.

شایان ذکر است که علاوه بر صرفه جویی چشمگیر ناشی از بهره نوری بالای LED لامپهای در جایگزینی لامپ التهابی با این لامپها، صرفه جویی دیگری نیز حاصل میگردد و آن، کاهش هدر رفتن نور لامپ در فضای داخلی چراغ سقفی است. لذا با خرید لامپ LED با شار نوری کمتر از لامپ التهابی در شرایط یکسان، میتوان شدت روشنایی دلخواه را بر روی سطح کار تامین نمود. چرا که عمده نور تابیده شده از لامپ جهت دار در جهت مطلوب ما تابیده میشود. از این رو شدت روشنایی موثر به مصرف کننده این امکان را میدهد که به آسانی تشخیص دهد که لامپ LED خریداری شده از نظر میزان شدت روشنایی که در روی سطح کار ایجاد میکند، معادل با چه لامپ همه سو تاب رشته ای هست. تنوع زاویه تابش، ابعاد و شکلهای مختلف لامپهای LED این مزیت را دارد که برای هر کاربردی میتوان لامپ مناسبی را انتخاب کرد و بر حسب کاربری محیط و هدف از نورپردازی، نور کافی و مناسب را برای محیط تامین کرد. به علاوه صرفه جویی بیشتری نیز در مصرف انرژی و در نتیجه در هزینه برق مصرفی صورت خواهد گرفت.

تهیه و تنظیم: سینا شاه محمدی